ljus: partikel eller en våg?

det synliga ljusets exakta natur är ett mysterium som har förbryllat människan i århundraden. Grekiska forskare från den antika pythagoranska disciplinen postulerade att varje synligt föremål avger en stadig ström av partiklar, medan Aristoteles drog slutsatsen att ljuset färdas på ett sätt som liknar vågor i havet. Även om dessa tankar har genomgått många modifieringar och en betydande grad av utveckling under de senaste 20 århundradena, kvarstår kärnan i tvisten som fastställts av de grekiska filosoferna till denna dag.

en synvinkel föreställer sig ljus som vågliknande i naturen och producerar energi som passerar genom rymden på ett sätt som liknar krusningarna som sprider sig över ytan av en stilldamm efter att ha störts av en tappad sten. Den motsatta uppfattningen hävdar att ljuset består av en stadig ström av partiklar, ungefär som små droppar vatten sprutas från en trädgårdsslang munstycke. Under de senaste århundradena, konsensus åsikt har vacklat med en uppfattning råder under en tidsperiod, bara för att välte av bevis för den andra. Endast under de första decennierna av 20-talet var tillräckligt övertygande bevis samlade för att ge ett omfattande svar, och till allas överraskning visade sig båda teorierna vara korrekta, åtminstone delvis.

i början av artonhundratalet hade argumentet om ljusets natur förvandlat det vetenskapliga samfundet till uppdelade läger som kämpade kraftigt om giltigheten av deras favoritteorier. En grupp forskare, som prenumererade på vågteorin, centrerade sina argument på upptäckterna av holländaren Christiaan Huygens. Det motsatta lägret citerade Sir Isaac Newtons prismaexperiment som bevis på att ljus reste som en dusch av partiklar, var och en fortsatte i en rak linje tills den bryts, absorberades, reflekterades, diffrakterades eller stördes på något annat sätt. Även om Newton själv tycktes ha viss tvivel om hans korpuskulära teori om ljusets natur, hade hans prestige i det vetenskapliga samfundet så mycket vikt att hans förespråkare ignorerade alla andra bevis under sina våldsamma strider.

Huygens teori om ljusbrytning, baserad på begreppet ljusets vågliknande natur, hävdade att ljusets hastighet i vilket ämne som helst var omvänt proportionellt mot dess brytningsindex. Med andra ord postulerade Huygens att ju mer ljus ”böjdes” eller bryts av ett ämne, desto långsammare skulle det röra sig medan det passerade över det ämnet. Hans anhängare drog slutsatsen att om ljus bestod av en ström av partiklar, skulle den motsatta effekten inträffa eftersom ljus som kommer in i ett tätare medium skulle lockas av molekyler i mediet och uppleva en ökning, snarare än en minskning, i hastighet. Även om den perfekta lösningen på detta argument skulle vara att mäta ljusets hastighet i olika ämnen, till exempel luft och glas, var periodens enheter inte upp till uppgiften. Ljuset verkade röra sig i samma hastighet oavsett materialet genom vilket det passerade. Över 150 år gick innan ljusets hastighet kunde mätas med tillräckligt hög noggrannhet för att bevisa att Huygens teori var korrekt.

trots Sir Isaac Newtons högt ansedda rykte var ett antal framstående forskare i början av 1700-talet inte överens med hans korpuskulära teori. Några hävdade att om ljus bestod av partiklar, då när två strålar korsas, skulle några av partiklarna kollidera med varandra för att ge en avvikelse i ljusstrålarna. Uppenbarligen är detta inte fallet, så de drog slutsatsen att ljus inte får bestå av enskilda partiklar.

Huygens, för all sin intuition, hade föreslagit i sin avhandling från 1690 trait Cambodia de la lumi, att ljusvågor reste genom rymden medierad av etern, en mystisk viktlös substans, som existerar som en osynlig enhet i hela luften och rymden. Sökandet efter eter förbrukat en betydande mängd resurser under artonhundratalet innan de slutligen läggs till vila. Eterteorin varade åtminstone fram till slutet av 1800-talet, vilket framgår av Charles Wheatstones föreslagna modell som visar att eter Bar ljusvågor genom att vibrera i en vinkel vinkelrätt mot ljusutbredningsriktningen och James Clerk Maxwells detaljerade modeller som beskriver konstruktionen av det osynliga ämnet. Huygens trodde att eter vibrerade i samma riktning som ljus och bildade en våg själv när den bar ljusvågorna. I en senare volym, Huygens princip, beskrev han genialt hur varje punkt på en våg kunde producera sina egna vågor, som sedan läggs samman för att bilda en vågfront. Huygens använde den här tanken för att producera en detaljerad teori för brytningsfenomenet och också för att förklara varför ljusstrålar inte kraschar in i varandra när de korsar vägar.

när en ljusstråle färdas mellan två medier med olika brytningsindex genomgår strålen brytning och ändrar riktning när den passerar från det första mediet till det andra. För att avgöra om ljusstrålen består av vågor eller partiklar kan en modell för var och en utformas för att förklara fenomenet (Figur 3). Enligt Huygens vågteori bör en liten del av varje vinklad vågfront påverka det andra mediet innan resten av fronten når gränssnittet. Denna del kommer att börja röra sig genom det andra mediet medan resten av vågen fortfarande färdas i det första mediet, men kommer att röra sig långsammare på grund av det högre brytningsindexet för det andra mediet. Eftersom vågfronten nu reser med två olika hastigheter kommer den att böja sig in i det andra mediet och därmed ändra utbredningsvinkeln. Däremot har partikelteori en ganska svår tid att förklara varför ljuspartiklar bör ändra riktning när de passerar från ett medium till ett annat. Förespråkare av teorin föreslår att en speciell kraft, riktad vinkelrätt mot gränssnittet, verkar för att ändra partiklarnas hastighet när de kommer in i det andra mediet. Den exakta karaktären av denna kraft lämnades till spekulation, och inga bevis har någonsin samlats för att bevisa teorin.

en annan utmärkt jämförelse av de två teorierna involverar skillnaderna som uppstår när ljus reflekteras från en slät, speglande yta, såsom en spegel. Vågteori spekulerar i att en ljuskälla avger ljusvågor som sprids i alla riktningar. Vid påverkan av en spegel reflekteras vågorna enligt ankomstvinklarna, men med varje våg vänd bakåt för att producera en omvänd bild (Figur 4). Formen på ankommande vågor är starkt beroende av hur långt ljuskällan är från spegeln. Ljus som härrör från en nära källa upprätthåller fortfarande en sfärisk, mycket krökt vågfront, medan ljus som emitteras från en avståndskälla kommer att spridas mer och påverka spegeln med vågfronter som är nästan plana.

fallet för en partikel natur för ljus är mycket starkare med avseende på reflektionsfenomenet än det är för brytning. Ljus som emitteras av en källa, vare sig nära eller långt, anländer till spegelytan som en ström av partiklar, som studsar bort eller reflekteras från den släta ytan. Eftersom partiklarna är mycket små är ett stort antal involverade i en förökande ljusstråle, där de reser sida vid sida mycket nära varandra. Vid påverkan av spegeln studsar partiklarna från olika punkter, så deras ordning i ljusstrålen vänds vid reflektion för att producera en omvänd bild, vilket visas i Figur 4. Både partikel-och vågteorierna förklarar adekvat reflektion från en slät yta. Partikelteorin antyder emellertid också att om ytan är mycket grov, studsar partiklarna bort i olika vinklar och sprider ljuset. Denna teori passar mycket nära experimentell observation.

partiklar och vågor bör också bete sig annorlunda när de stöter på kanten av ett objekt och bildar en skugga (Figur 5). Newton var snabb att påpeka i sin bok från 1704 Opticks, att ”ljus är aldrig känt för att följa krokiga passager eller böja sig in i skuggan”. Detta koncept överensstämmer med partikelteorin, som föreslår att ljuspartiklar alltid måste färdas i raka linjer. Om partiklarna stöter på kanten av en barriär, kommer de att kasta en skugga eftersom partiklarna som inte blockeras av barriären fortsätter i en rak linje och inte kan spridas ut bakom kanten. I makroskopisk skala är denna observation nästan korrekt, men den överensstämmer inte med resultaten från ljusdiffraktionsexperiment i mycket mindre skala.

när ljuset passerar genom en smal slits sprider strålen och blir bredare än förväntat. Denna grundläggande viktiga observation ger en betydande mängd trovärdighet till vågteorin om ljus. Liksom vågor i vatten verkar ljusvågor som möter kanten på ett objekt Böja sig runt kanten och in i dess geometriska skugga, som är en region som inte är direkt upplyst av ljusstrålen. Detta beteende är analogt med vattenvågor som lindas runt slutet av en flotta, istället för att reflektera bort.

nästan hundra år efter att Newton och Huygens föreslog sina teorier utförde en engelsk fysiker vid namn Thomas Young ett experiment som starkt stödde ljusets vågliknande natur. Eftersom han trodde att ljuset var sammansatt av vågor, motiverade Young att någon typ av interaktion skulle inträffa när två ljusvågor möttes. För att testa denna hypotes använde han en skärm som innehöll en enda smal slits för att producera en sammanhängande ljusstråle (innehållande vågor som sprider sig i fas) från vanligt solljus. När solens strålar möter slitsen sprider de ut eller diffrakterar för att producera en enda vågfront. Om denna front får lysa upp en andra skärm med två tätt åtskilda slitsar, produceras ytterligare två källor till sammanhängande ljus, perfekt i takt med varandra (se Figur 6). Ljus från varje slits som reser till en enda punkt halvvägs mellan de två slitsarna bör komma perfekt i steg. De resulterande vågorna bör förstärka varandra för att producera en mycket större våg. Men om en punkt på vardera sidan av den centrala punkten beaktas, måste ljus från en slits färdas mycket längre för att nå en andra punkt på motsatt sida av den centrala punkten. Ljus från slitsen närmare denna andra punkt skulle komma före ljus från den avlägsna slitsen, så de två vågorna skulle vara i takt med varandra och kan avbryta varandra för att producera mörker.

som han misstänkte upptäckte Young att när ljusvågorna från den andra uppsättningen slitsar sprids (eller diffrakteras) möter de varandra och överlappar varandra. I vissa fall kombinerar överlappningen de två vågorna exakt i steg. I andra fall kombineras ljusvågorna antingen något eller helt i takt med varandra. Young fann att när vågorna möttes i steg, lade de samman genom en process som har kommit att kallas konstruktiv störning. Vågor som möts ur steg kommer att avbryta varandra, ett fenomen som kallas destruktiv störning. Mellan dessa två ytterligheter uppstår olika grader av konstruktiv och destruktiv störning för att producera vågor med ett brett spektrum av amplituder. Young kunde observera effekterna av störningar på en skärm placerad på ett bestämt avstånd bakom de två slitsarna. Efter att ha diffrakterats producerar ljuset som rekombineras av störningar en serie ljusa och mörka fransar längs skärmens längd.

även om det till synes var viktigt, var Youngs slutsatser inte allmänt accepterade vid den tiden, främst på grund av den överväldigande tron på partikelteorin. Förutom sina observationer om ljusinterferens postulerade Young att ljus i olika färger bestod av vågor med olika längder, ett grundläggande koncept som är allmänt accepterat idag. Däremot förutsåg partikelteoriförespråkarna att olika färger härleddes från partiklar som antingen hade olika massor eller färdades med olika hastigheter.

interferenseffekten är inte begränsad till ljus. Vågor som produceras på ytan av en pool eller damm kommer att spridas i alla riktningar och genomgå ett identiskt beteende. Där två vågor möts i steg, kommer de att lägga samman för att göra en större våg genom konstruktiv störning. Kolliderande vågor som inte är i steg kommer att avbryta varandra via destruktiv störning och producera en jämn yta på vattnet.

ännu mer bevis för en vågliknande natur av ljus upptäcktes när beteendet hos en ljusstråle mellan korsade polarisatorer undersöktes noggrant (Figur 7). Polariserande filter har en unik molekylstruktur som tillåter endast ljus med en enda orientering att passera igenom. Med andra ord kan en polarisator betraktas som en specialiserad typ av molekylär venetiansk blind med små rader av lameller som är orienterade i en enda riktning inom det polariserande materialet. Om en ljusstråle får påverka en polarisator kan endast ljusstrålar orienterade parallellt med polariseringsriktningen passera genom polarisatorn. Om en andra polarisator är placerad bakom den första och orienterad i samma riktning, kommer ljus som passerar genom den första polarisatorn också att passera genom den andra.

men om den andra polarisatorn roteras i en liten vinkel kommer mängden ljus som passerar genom att minska. När den andra polarisatorn roteras så att orienteringen är vinkelrätt mot den första polarisatorns, kommer inget av ljuset som passerar genom den första polarisatorn att passera genom den andra. Denna effekt förklaras lätt med vågteorin, men ingen manipulation av partikelteorin kan förklara hur ljus blockeras av den andra polarisatorn. Faktum är att partikelteorin inte heller är tillräcklig för att förklara störningar och diffraktion, effekter som senare skulle visa sig vara manifestationer av samma fenomen.

effekterna som observerades med polariserat ljus var kritiska för utvecklingen av konceptet att ljus består av tvärgående vågor med komponenter som är vinkelräta mot utbredningsriktningen. Var och en av de tvärgående komponenterna måste ha en specifik orienteringsriktning som gör det möjligt att antingen passera eller blockeras av en polarisator. Endast de vågor med en tvärgående komponent parallellt med polariseringsfiltret kommer att passera igenom, och alla andra kommer att blockeras.

i mitten av 1800-talet blev forskare alltmer övertygade om ljusets vågliknande karaktär, men det förblev ett överbärande problem. Exakt vad är ljus? Ett genombrott gjordes när den engelska fysikern James Clerk Maxwell upptäckte att alla former av elektromagnetisk strålning representerar ett kontinuerligt spektrum och färdas genom ett vakuum med samma hastighet: 186 000 miles per sekund. Maxwells upptäckt spikade effektivt partikelteorins Kista och i början av 20-talet verkade det som om de grundläggande frågorna om ljus och optisk teori äntligen hade besvarats.

ett stort slag mot vågteorin inträffade bakom kulisserna i slutet av 1880-talet när forskare först upptäckte att ljus under vissa förhållanden kunde lossna elektroner från atomerna i flera metaller (figur 8). Även om det först bara var ett nyfiken och oförklarligt fenomen, upptäcktes det snabbt att ultraviolett ljus kunde lindra atomer av elektroner i en mängd olika metaller för att producera en positiv elektrisk laddning. Den tyska fysikern Philipp Lenard blev intresserad av dessa observationer, som han kallade den fotoelektriska effekten. Lenard använde ett prisma för att dela vitt ljus i sina komponentfärger och fokuserade sedan selektivt varje färg på en metallplatta för att utvisa elektroner.

vad Lenard upptäckte förvirrade och förvånade honom. För en specifik våglängd av ljus (blå, till exempel) producerade elektronerna en konstant potential eller en fast mängd energi. Att minska eller öka mängden ljus gav en motsvarande ökning eller minskning av antalet frigjorda elektroner, men var och en behöll fortfarande samma energi. Med andra ord hade elektroner som flydde från sina atombindningar energier som var beroende av ljusets våglängd, inte intensiteten. Detta strider mot vad som förväntas av vågteorin. Lenard upptäckte också en länk mellan våglängd och energi: kortare våglängder producerade elektroner med större mängder energi.

grunden för en koppling mellan ljus och atomer gjordes i början av 1800-talet när William Hyde Wollaston upptäckte att solens spektrum inte var ett kontinuerligt ljusband utan innehöll hundratals saknade våglängder. Över 500 smala linjer motsvarande saknade våglängder kartlades av den tyska fysikern Joseph von Fraunhofer, som tilldelade brev till de största luckorna. Senare upptäcktes att luckorna producerades från absorption av specifika våglängder av atomer i solens yttre skikt. Dessa observationer var några av de första kopplingarna mellan atomer och ljus, även om den grundläggande effekten inte förstås vid den tiden.

1905 postulerade Albert Einstein att ljus faktiskt kan ha vissa partikelegenskaper, oavsett det överväldigande beviset för en vågliknande natur. När han utvecklade sin kvantteori föreslog Einstein matematiskt att elektroner kopplade till atomer i en metall kan absorbera en viss mängd ljus (först benämnd en kvant, men senare ändrad till en foton) och därmed ha energi att fly. Han spekulerade också i att om en fotons energi var omvänt proportionell mot våglängden, skulle kortare våglängder producera elektroner med högre energier, en hypotes som faktiskt bärs av resultaten från Lenards forskning.

Einsteins teori stelnade på 1920-talet av experimenten av den amerikanska fysikern Arthur H. Compton, som visade att fotoner hade fart, en nödvändig förutsättning för att stödja teorin om att Materia och energi är utbytbara. Ungefär samtidigt föreslog den franska forskaren Louis-Victor de Broglie att all materia och strålning har egenskaper som liknar både en partikel och en våg. De Broglie, efter Max Plancks ledning, extrapolerade Einsteins berömda formel som relaterar massa och energi för att inkludera Plancks konstant:

där E är energin hos en partikel, m massan, c är ljusets hastighet, h är Plancks konstant, och bisexuell är frekvensen. De Broglies arbete, som relaterar frekvensen av en våg till en partikels energi och massa, var grundläggande i utvecklingen av ett nytt fält som i slutändan skulle användas för att förklara både ljusets vågliknande och partikelliknande natur. Kvantmekanik föddes från forskningen av Einstein, Planck, de Broglie, Neils Bohr, Erwin Schr Occuldinger och andra som försökte förklara hur elektromagnetisk strålning kan visa vad som nu har kallats dualitet, eller både partikelliknande och vågliknande beteende. Ibland uppträder ljuset som en partikel och vid andra tillfällen som en våg. Denna kompletterande eller dubbla roll för ljusets beteende kan användas för att beskriva alla kända egenskaper som har observerats experimentellt, allt från brytning, reflektion, interferens och diffraktion, till resultaten med polariserat ljus och den fotoelektriska effekten. Tillsammans arbetar ljusets egenskaper tillsammans och tillåter oss att observera universums skönhet.