światło: cząstka czy fala?

dokładna natura światła widzialnego jest tajemnicą, która zastanawiała człowieka od wieków. Greccy naukowcy ze starożytnej dyscypliny pitagorejskiej postulowali, że każdy widzialny obiekt emituje stały strumień cząstek, podczas gdy Arystoteles doszedł do wniosku, że światło przemieszcza się w sposób podobny do fal w oceanie. Mimo że idee te przeszły liczne modyfikacje i znaczny stopień ewolucji w ciągu ostatnich 20 stuleci, istota sporu ustanowionego przez greckich filozofów pozostaje do dziś.

jeden z punktów widzenia wyobraża sobie światło jako falujące w naturze, wytwarzające energię, która przemierza przestrzeń w sposób podobny do zmarszczek rozprzestrzeniających się po powierzchni nieruchomego stawu po zakłóceniu przez upuszczoną skałę. Przeciwny pogląd głosi, że światło składa się ze stałego strumienia cząstek, podobnie jak małe kropelki wody rozpylane z dyszy węża ogrodowego. W ciągu ostatnich kilku stuleci konsensus opinii wahał się, gdy jeden pogląd dominował przez pewien okres czasu, a drugi został obalony przez dowody. Dopiero w pierwszych dekadach XX wieku zebrano wystarczająco przekonujące dowody, aby dostarczyć wyczerpującej odpowiedzi i ku zaskoczeniu wszystkich obie teorie okazały się poprawne, przynajmniej częściowo.

na początku XVIII wieku spór o naturę światła zamienił środowisko naukowe w podzielone obozy, które energicznie walczyły o ważność swoich ulubionych teorii. Jedna grupa naukowców, która subskrybowała teorię fal, skupiła swoje argumenty na odkryciach Holendra Christiaana Huygensa. Przeciwny obóz cytował eksperymenty pryzmatyczne Sir Isaaca Newtona jako dowód, że światło podróżowało jako deszcz cząstek, z których każda postępowała w linii prostej, aż zostało załamane, pochłonięte, odbite, rozproszone lub zakłócone w inny sposób. Chociaż sam Newton zdawał się mieć pewne wątpliwości co do swojej korpuskularnej teorii o naturze światła, jego prestiż w środowisku naukowym miał tak dużą wagę, że jego zwolennicy zignorowali wszystkie inne dowody podczas ich okrutnych walk.

teoria załamania światła Huygensa, oparta na koncepcji falowej natury światła, utrzymywała, że prędkość światła w dowolnej substancji jest odwrotnie proporcjonalna do jej współczynnika załamania. Innymi słowy, Huygens postulował, że im więcej światła jest „zgięte” lub załamane przez substancję, tym wolniej porusza się ona podczas przechodzenia przez tę substancję. Jego zwolennicy doszli do wniosku, że gdyby światło składało się ze strumienia cząstek, wtedy wystąpiłby odwrotny efekt, ponieważ światło wpadające do gęstszego ośrodka byłoby przyciągane przez cząsteczki w ośrodku i doświadczałoby wzrostu, a nie spadku, prędkości. Chociaż doskonałym rozwiązaniem tego argumentu byłoby zmierzenie prędkości światła w różnych substancjach, na przykład w powietrzu i szkle, Urządzenia z tego okresu nie były w stanie sprostać temu zadaniu. Światło zdawało się poruszać z taką samą prędkością, niezależnie od materiału, przez który przeszło. Minęło ponad 150 lat, zanim prędkość światła mogła zostać zmierzona z wystarczająco dużą dokładnością, aby udowodnić, że teoria Huygensa była poprawna.

pomimo wysoko cenionej reputacji Sir Isaaca Newtona, wielu wybitnych naukowców na początku XVII wieku nie zgadzało się z jego teorią korpuskularną. Niektórzy twierdzili, że jeśli światło składa się z cząstek, to kiedy dwie wiązki są skrzyżowane, niektóre cząstki zderzają się ze sobą, aby wytworzyć odchylenie w wiązkach światła. Oczywiście tak nie jest, więc doszli do wniosku, że światło nie może składać się z pojedynczych cząstek.

Huygens, mimo całej swojej intuicji, zasugerował w swoim traktacie Traité de la Lumière z 1690 roku, że fale świetlne podróżują przez przestrzeń za pośrednictwem eteru, mistycznej nieważkości, która istnieje jako niewidzialna istota w powietrzu i przestrzeni. Poszukiwania eteru pochłonęły znaczną ilość zasobów w XIX wieku, zanim ostatecznie zostały złożone w stan spoczynku. Teoria eteru trwała co najmniej do końca 1800 roku, o czym świadczy zaproponowany przez Charlesa Wheatstone ’ a model wykazujący, że eter przenosił fale świetlne przez wibrowanie pod kątem prostopadłym do kierunku propagacji światła, oraz szczegółowe modele Jamesa Clerka Maxwella opisujące budowę niewidzialnej substancji. Huygens wierzył, że eter wibruje w tym samym kierunku co światło i tworzy samą falę, gdy przenosi fale świetlne. W późniejszym tomie, zasada Huygensa, genialnie opisał, jak każdy punkt na fali może wytwarzać własne fale, które następnie łączą się, tworząc falę. Huygens wykorzystał ten pomysł do stworzenia szczegółowej teorii zjawiska załamania światła, a także do wyjaśnienia, dlaczego promienie świetlne nie wpadają w siebie, gdy się przecinają.

kiedy wiązka światła przemieszcza się między dwoma mediami o różnych współczynnikach załamania, wiązka ulega załamaniu i zmienia kierunek, gdy przechodzi z pierwszego medium do drugiego. Aby określić, czy wiązka światła składa się z fal lub cząstek, można opracować model dla każdej z nich, aby wyjaśnić zjawisko (Rysunek 3). Zgodnie z teorią fal Huygensa, niewielka część każdego kątowego czoła fali powinna wpłynąć na drugie medium, zanim reszta frontu dotrze do interfejsu. Ta część zacznie poruszać się przez drugie medium, podczas gdy reszta fali nadal porusza się w pierwszym medium, ale będzie poruszać się wolniej ze względu na wyższy współczynnik załamania światła drugiego medium. Ponieważ wavefront porusza się teraz z dwiema różnymi prędkościami, wygina się do drugiego medium, zmieniając w ten sposób kąt propagacji. W przeciwieństwie do tego, teoria cząstek ma dość trudny czas wyjaśniając, dlaczego cząstki światła powinny zmieniać kierunek, gdy przechodzą z jednego ośrodka do drugiego. Zwolennicy teorii sugerują, że specjalna siła, skierowana prostopadle do interfejsu, działa w celu zmiany prędkości cząstek, gdy wchodzą one do drugiego medium. Dokładna natura tej siły została pozostawiona spekulacjom i nigdy nie zebrano dowodów na potwierdzenie tej teorii.

kolejne doskonałe porównanie obu teorii obejmuje różnice, które występują, gdy światło odbija się od gładkiej, zwierciadlanej powierzchni, takiej jak lustro. Teoria fal spekuluje, że źródło światła emituje fale świetlne, które rozprzestrzeniają się we wszystkich kierunkach. Po uderzeniu w lustro fale są odbijane zgodnie z kątami przylotu, ale każda fala odwraca się do przodu, aby uzyskać odwrócony obraz (rysunek 4). Kształt napływających fal jest silnie zależny od tego, jak daleko źródło światła znajduje się od lustra. Światło pochodzące z Bliskiego źródła nadal utrzymuje sferyczną, silnie zakrzywioną falę, podczas gdy światło emitowane z odległego źródła będzie rozprzestrzeniać się bardziej i oddziaływać na lustro za pomocą fal, które są prawie płaskie.

przypadek natury cząsteczkowej dla światła jest znacznie silniejszy w odniesieniu do zjawiska odbicia niż w przypadku załamania. Światło emitowane przez źródło, bliskie lub Dalekie, dociera do powierzchni lustra jako strumień cząstek, które odbijają się lub odbijają od gładkiej powierzchni. Ponieważ cząstki są bardzo małe, Ogromna ich liczba jest zaangażowana w rozchodzącą się wiązkę światła, gdzie poruszają się obok siebie bardzo blisko siebie. Po uderzeniu w lustro cząstki odbijają się od różnych punktów, więc ich kolejność w wiązce światła jest odwracana po odbiciu, aby uzyskać odwrócony obraz, jak pokazano na fig. Zarówno teorie cząstek, jak i fal odpowiednio wyjaśniają odbicie od gładkiej powierzchni. Jednak teoria cząstek sugeruje również, że jeśli powierzchnia jest bardzo chropowata, cząstki odbijają się pod różnymi kątami, rozpraszając światło. Teoria ta bardzo ściśle pasuje do obserwacji eksperymentalnych.

cząstki i fale również powinny zachowywać się inaczej, gdy napotkają krawędź obiektu i tworzą cień (Rysunek 5). Newton szybko zauważył w swojej książce Opticks z 1704 roku, że „światło nigdy nie podąża za krzywymi fragmentami ani nie pochyla się w cieniu”. Koncepcja ta jest zgodna z teorią cząstek, która zakłada, że cząstki światła muszą zawsze poruszać się po liniach prostych. Jeśli cząstki napotkają krawędź bariery, rzucą cień, ponieważ cząstki nie zablokowane przez barierę kontynuują w linii prostej i nie mogą rozprzestrzeniać się za krawędź. W skali makroskopowej obserwacja ta jest prawie poprawna, ale nie zgadza się z wynikami uzyskanymi z eksperymentów dyfrakcyjnych światła na znacznie mniejszą skalę.

gdy światło jest przepuszczane przez wąską szczelinę, wiązka rozprzestrzenia się i staje się szersza niż oczekiwano. Ta fundamentalnie ważna obserwacja nadaje znaczną wiarygodność falowej teorii światła. Podobnie jak fale w wodzie, fale świetlne napotykające krawędź obiektu wydają się wyginać wokół krawędzi i w jej geometryczny cień, który jest obszarem, który nie jest bezpośrednio oświetlony przez wiązkę światła. To zachowanie jest analogiczne do fal wodnych, które owijają się wokół końca tratwy, zamiast odbijać się.

prawie sto lat po tym, jak Newton i Huygens zaproponowali swoje teorie, angielski fizyk Thomas Young przeprowadził eksperyment, który silnie wspierał falową naturę światła. Ponieważ wierzył, że światło składa się z fal, Young uznał, że pewnego rodzaju interakcja nastąpi, gdy spotkają się dwie fale świetlne. Aby przetestować tę hipotezę, użył ekranu zawierającego pojedynczą, wąską szczelinę, aby wytworzyć spójną wiązkę światła (zawierającą fale, które propagują się w fazie) ze zwykłego światła słonecznego. Gdy promienie słoneczne napotykają szczelinę, rozchodzą się lub dyfrakują, tworząc pojedynczy front falowy. Jeżeli ten front może oświetlać drugi ekran o dwóch szczelinach, Wytwarza się dwa dodatkowe źródła światła koherentnego, idealnie przylegające do siebie (zob. Rysunek 6). Światło z każdej szczeliny podróżujące do jednego punktu w połowie drogi między dwoma szczelinami powinno dotrzeć idealnie w kroku. Powstałe fale powinny się wzajemnie wzmacniać, aby wytworzyć znacznie większą falę. Jeśli jednak rozważa się punkt po obu stronach punktu centralnego, wówczas światło z jednej szczeliny musi podróżować znacznie dalej, aby dotrzeć do drugiego punktu po przeciwnej stronie punktu centralnego. Światło z szczeliny bliżej tego drugiego punktu docierałoby przed światłem z odległej szczeliny, więc dwie fale byłyby ze sobą niezgodne i mogłyby się wzajemnie anulować, aby wytworzyć ciemność.

jak podejrzewał, Young odkrył, że gdy fale świetlne z drugiego zestawu szczelin są rozproszone (lub rozproszone), spotykają się i nakładają się. W niektórych przypadkach nakładanie łączy dwie fale dokładnie w kroku. Jednak w innych przypadkach fale świetlne są połączone ze sobą nieznacznie lub całkowicie poza etapem. Young odkrył, że kiedy fale spotkały się w kroku, połączyły się w procesie, który został nazwany konstruktywną interferencją. Fale, które spotkają się bez kroku, będą się wzajemnie usuwać, zjawisko znane jako destrukcyjna interferencja. Pomiędzy tymi dwoma skrajnościami występują różne stopnie konstruktywnej i destrukcyjnej interferencji, aby wytworzyć fale o szerokim spektrum amplitud. Young był w stanie obserwować efekty zakłóceń na ekranie umieszczonym w określonej odległości za dwoma szczelinami. Po dyfrakcji światło, które jest rekombinowane przez interferencję, wytwarza serię jasnych i ciemnych krawędzi wzdłuż długości ekranu.

chociaż z pozoru ważne, wnioski Younga nie były wówczas powszechnie akceptowane, głównie z powodu przytłaczającej wiary w teorię cząstek. Poza obserwacjami na temat interferencji światła, Young postulował, że światło o różnych kolorach składa się z fal o różnej długości, fundamentalnej koncepcji, która jest dziś powszechnie akceptowana. Natomiast zwolennicy teorii cząstek zakładali, że różne kolory pochodzą od cząstek o różnej masie lub poruszających się z różną prędkością.

efekt interferencji nie jest ograniczony do światła. Fale wytwarzane na powierzchni basenu lub stawu rozprzestrzeniają się we wszystkich kierunkach i ulegają identycznemu zachowaniu. Tam, gdzie dwie fale spotykają się w kroku, dodają się razem, aby uzyskać większą falę przez konstruktywną interferencję. Zderzające się fale, które są poza etapem, anulują się nawzajem poprzez destrukcyjne zakłócenia i wytwarzają równą powierzchnię na wodzie.

jeszcze więcej dowodów na falową naturę światła odkryto, gdy dokładnie zbadano zachowanie wiązki światła między skrzyżowanymi polaryzatorami (ryc. 7). Filtry polaryzacyjne mają unikalną strukturę molekularną, która umożliwia przepuszczanie tylko światła o pojedynczej orientacji. Innymi słowy, polaryzator może być uważany za wyspecjalizowany rodzaj molekularnej żaluzji Weneckiej z małymi rzędami listew, które są zorientowane w jednym kierunku w materiale polaryzacyjnym. Jeśli wiązka światła może wpłynąć na polaryzator, tylko promienie świetlne zorientowane równolegle do kierunku polaryzacji są w stanie przejść przez polaryzator. Jeśli drugi polaryzator jest umieszczony za pierwszym i zorientowany w tym samym kierunku, wtedy światło przechodzące przez pierwszy polaryzator również przejdzie przez drugi.

jednak jeśli drugi polaryzator zostanie obrócony pod małym kątem, ilość przechodzącego światła zostanie zmniejszona. Gdy drugi polaryzator zostanie obrócony tak, aby orientacja była prostopadła do orientacji pierwszego polaryzatora, żadne światło przechodzące przez pierwszy polaryzator nie przejdzie przez drugi. Efekt ten można łatwo wyjaśnić teorią fal, ale żadna manipulacja teorią cząstek nie może wyjaśnić, w jaki sposób światło jest blokowane przez drugi polaryzator. W rzeczywistości teoria cząstek nie jest również odpowiednia do wyjaśnienia interferencji i dyfrakcji, efektów, które później zostałyby uznane za przejawy tego samego zjawiska.

efekty obserwowane w świetle spolaryzowanym były kluczowe dla rozwoju koncepcji, że światło składa się z fal poprzecznych o składnikach prostopadłych do kierunku propagacji. Każdy z elementów poprzecznych musi mieć określony kierunek orientacji, który umożliwia mu przejście lub zablokowanie przez polaryzator. Tylko te fale z elementem poprzecznym równoległym do filtra polaryzacyjnego będą przechodzić, a wszystkie pozostałe zostaną zablokowane.

w połowie XIX wieku naukowcy byli coraz bardziej przekonani o falowym charakterze światła, ale pozostał jeden apodyktyczny problem. Czym dokładnie jest światło? Przełom nastąpił, gdy angielski fizyk James Clerk Maxwell odkrył, że wszystkie formy promieniowania elektromagnetycznego reprezentują widmo ciągłe i podróżują przez próżnię z tą samą prędkością: 186 000 mil na sekundę. Odkrycie Maxwella skutecznie przybiło do trumny teorii cząstek i na początku XX wieku wydawało się, że podstawowe pytania dotyczące teorii światła i optyki zostały ostatecznie rozwiązane.

poważny cios w teorię fal miał miejsce za kulisami pod koniec lat 80., kiedy naukowcy po raz pierwszy odkryli, że w pewnych warunkach światło może usunąć elektrony z atomów kilku metali (Rysunek 8). Chociaż początkowo było to tylko ciekawe i niewytłumaczalne zjawisko, szybko odkryto, że światło ultrafioletowe może uwolnić Atomy elektronów w wielu różnych metalach, aby wytworzyć dodatni ładunek elektryczny. Niemiecki fizyk Philipp Lenard zainteresował się tymi obserwacjami, które nazwał efektem fotoelektrycznym. Lenard użył pryzmatu, aby podzielić białe światło na Kolory składowe, a następnie selektywnie skupił każdy kolor na metalowej płytce, aby usunąć elektrony.

to, co odkrył Lenard, zdezorientowało go i zdumiało. Dla określonej długości fali światła (na przykład niebieskiego) elektrony wytwarzały stały potencjał lub stałą ilość energii. Zmniejszenie lub zwiększenie ilości światła spowodowało odpowiedni wzrost lub spadek liczby uwolnionych elektronów, ale każdy z nich nadal utrzymywał tę samą energię. Innymi słowy, elektrony uciekające z wiązań atomowych miały Energie zależne od długości fali światła, a nie od intensywności. Jest to sprzeczne z tym, czego można by oczekiwać od teorii fal. Lenard odkrył również związek między długością fali a energią: krótsze fale wytwarzały elektrony o większej ilości energii.

fundament połączenia między światłem a atomami został odlany na początku 1800 roku, kiedy William Hyde Wollaston odkrył, że widmo słońca nie jest ciągłym pasmem światła, ale zawiera setki brakujących długości fal. Ponad 500 wąskich linii odpowiadających brakujących długościach fal zostało zmapowanych przez niemieckiego fizyka Josepha von Fraunhofera, który przypisał litery największym lukom. Później odkryto, że luki powstały w wyniku absorpcji określonych długości fal przez atomy w zewnętrznej warstwie słońca. Obserwacje te były jednymi z pierwszych powiązań między atomami a światłem, chociaż fundamentalny wpływ nie był wtedy rozumiany.

w 1905 roku Albert Einstein postulował, że światło może faktycznie mieć pewne właściwości cząstek, niezależnie od przytłaczających dowodów na falową naturę. Rozwijając swoją teorię kwantową, Einstein zasugerował matematycznie, że elektrony przyłączone do atomów w metalu mogą absorbować określoną ilość światła (najpierw określaną jako kwant, ale później zmienioną na Foton), a tym samym mieć energię do ucieczki. Spekulował również, że jeśli energia fotonu byłaby odwrotnie proporcjonalna do długości fali, to krótsze długości fal wytwarzałyby elektrony o wyższych energiach, co w rzeczywistości wynika z wyników badań Lenarda.

teoria Einsteina została ugruntowana w latach dwudziestych XX wieku przez eksperymenty amerykańskiego fizyka Arthura H. Compton, który wykazał, że fotony mają pęd, niezbędny warunek do poparcia teorii, że materia i energia są wymienne. Mniej więcej w tym samym czasie francuski naukowiec Louis-Victor de Broglie zaproponował, że cała materia i promieniowanie mają właściwości przypominające zarówno cząstkę, jak i falę. De Broglie, Idąc tropem Maxa Plancka, ekstrapolował słynny wzór Einsteina odnoszący się do masy i energii, aby uwzględnić stałą Plancka:

gdzie E to energia cząstki, m masa, c to prędkość światła, H to stała Plancka, a ν to częstotliwość. Praca De Broglie ’ a, która odnosi częstotliwość fali do energii i masy cząstki, była fundamentalna w rozwoju nowego pola, które ostatecznie zostanie wykorzystane do wyjaśnienia zarówno falowej, jak i cząsteczkowej natury światła. Mechanika kwantowa narodziła się z badań Einsteina, Plancka, de Broglie ’ a, Neilsa Bohra, Erwina Schrödingera i innych, którzy próbowali wyjaśnić, w jaki sposób promieniowanie elektromagnetyczne może wyświetlać to, co teraz zostało nazwane dualnością, lub zarówno zachowanie cząsteczkowe, jak i falowe. Czasami światło zachowuje się jak cząstka, a innym razem jak fala. Ta komplementarna lub podwójna rola zachowania się światła może być zastosowana do opisania wszystkich znanych cech, które zaobserwowano eksperymentalnie, począwszy od załamania, odbicia, interferencji i dyfrakcji, po wyniki ze światłem spolaryzowanym i efektem fotoelektrycznym. W połączeniu, właściwości światła działają razem i pozwalają nam obserwować piękno wszechświata.