Светлината - физични теории

...

История на идеите

От незапомнени времена човекът търси закономерности в поведението на света.

Научните закони почиват на наблюдения и на теоретични предположения относно определено явление, както и са валидни докато не бъдат опровергани от други наблюдения или нови теории.

Светлината е предизвикала по-вече дискусии от всеки друг феномен.

Светлината е електромагнитно излъчване с дължина на вълната във видимия за човешкото око диапазон на електромагнитния спектър, приблизително от 400 до 750 nm.

Понякога към понятието светлина се включват и инфрачервените и ултравиолетовите лъчи.
Основни характеристики на светлината от гледна точка на човека са: яркост (възприемана от човешкото око като интензитет), дължина на вълната (или честота, възприемана от човешкото око като цвят) и поляризация (при нормални обстоятелства човешкото око не може да я регистрира).

Според съвременната физика светлината има корпускулярно-вълнов характер, т.е. едновременно се проявява като поток от частици (фотони), които могат например да избиват електрони (фотоелектричен ефект), а в друг случай се държат като вълна — наблюдават се явленията дифракция и интерференция. Според квантовата механика фотоните нямат маса, което следва непосредствено от теорията на относителността.

Физични теории

Рене Декарт (1596–1650) дава представа за светлината като механично свойство на луминисцентно тяло. През 1637 година той публикува теорията на пречупването на светлината, като грешно допуска, че светлината се движи по-бързо в по-плътни оптични среди. Той достига до това заключение по аналогия с поведението на звуковите вълни. Въпреки че допускането му за относителните скорости е невярно, той все пак правилно обяснява светлината като вълна и обяснява рефракцията с различната скорост на светлината в различни среди. Макар че не е първият, който дава подобни обяснения, неговата теория се счита за началото на модерната оптика.

Корпускулярна теория

Пиер Гасенди (1592–1655), атомист, предлага корпускулярната теория на светлината, която е публикувана след неговата смърт през 1660-те.

Исак Нютон изучава работата на Гасенди в ранните си години и предпочита неговите идеи в сравнение с тези на Декарт. Той заявява в своята Хипотеза за светлината от 1675 г., че светлината е съставена от малки частици, които той нарича корпускули, които се излъчват във всички посоки от източниците на светлина. Един от аргументите на Нютон против вълновата теория на светлината е, че вълните обикновено се пречупват или огъват, когато срещнат препятствие, докато светлината се разпространява само по права линия. Въпреки това, той обяснява процеса на дифракция на светлината (наблюдаван от Франческо Грималди) с това, че частица на светлината може да създаде локална вълна в етера.

Теорията на Нютон може да се използва за да предскаже отражението на светлината, но може да обясни рефракцията само с неправилното допускане, че светлината се ускорява когато навлезе в оптически по-плътна среда защото гравитацията е по-силна. Нютон публикува крайния резултат от изследванията си в Opticks от 1704 година. Неговата популярност и репутация спомагат за установяването на корпускулярната теория през 18-ти век. Тази теория води до допускането на Лаплас, че едно тяло може да бъде толкова масивно и с такава силна гравитация, че светлината да не може да "избяга". С други думи това, което днес е известно като черна дупка. Лаплас оттегля предположението си след установяването на вълновата теория на светлината.

Вълнова теория

Цветовете на тази паяжина се дължат частично на явлението дифракция, което е характерно за вълните.

През 1660-те, Робърт Хук публикува вълнова теория на светлината. Кристиан Хюйгенс работи над своя собствена вълнова теория на светлината през 1678 г. и я публикува в своята Монография на светлината през 1690 година. Той предполага, че светлината се разпространява във всички посоки като поредица от вълни в среда, наречена светоносен ефир. Тъй като вълните не са повлияни от гравитацията, се предполага, че те се забавят когато навлизат в област с по-голяма плътност.

Вълновата теория предсказва, че светлинните вълни могат да интерферират една с друга подобно на звуковите (както е отбелязано около 1800 година от Томас Янг), и че светлината може да бъде поляризирана ако е напречна вълна. Янг показва в своя експеримент, когато пуска светлина през два отвора, че тя се държи като вълна и проявява свойства, характерни само за вълна. Той също предполага, че различните цветове са причинени от различни дължини на вълната и обяснява цветното зрение с 3 различни цветови рецептори в човешкото око.

Друг поддръжник на вълновата теория е Леонард Ойлер. В своята Nova theoria lucis et colorum (1746) той показва, че дифракцията може лесно да се обясни с вълновата теория на светлината.

Малко по-късно, Огюстин Френел изработва независимо своя собствена теория на светлината и я представя пред Академията на науките през 1817 година. Симеон Дени Поасон добавя към работите на Френел математически изчисления за да придаде убедителен аргумент в полза на вълновата теория, надявайки се на отхвърли корпускулярната теория на Нютон.

Около 1821 година Френел успява да покаже с помощта на математически методи, че поляризацията на светлината може да бъде обяснена само с помощта на вълновата теория на светлината и ако вълната е напълно напречна, без каквато и да е надлъжна компонента.

Слабостта на вълновата теория е, че светлинните вълни, подобно на звуковите, трябва да имат среда в която да се разпространяват. Хипотетично вещество, наречено светоносен ефир или етер е предложено за тази цел, но неговото съществуване е подложено на дълбоко съмнение в края на 19-ти век с експеримента на Майкелсън-Морли.

От корпускулярната теория на Нютон следва, че светлината се движи по-бързо с по-плътни среди, докато от вълновата теория следва точно обратното. По това време скоростта на светлината не може да се измери достатъчно точно за да се каже със сигурност коя теория е вярна. Първият, който прави достатъчно акуратно измерване е Леон Фуко през 1850 г. Неговият резултат подкрепя вълновата теория, което в крайна сметка довежда до изоставяне на Нютоновата теория за частици, които изграждат светлината.

Електромагнитна теория

През 1845 година Майкъл Фарадей открива, че равнината на поляризация на линейно поляризирана светлина е завъртяна когато когато светлината се разпространява в посока на магнитното поле в присъствието на прозрачен диелектрик, явление което днес е известно като ефект на Фарадей. Това е първото доказателство, че светлината е тясно свързана с електромагнетизма. През 1846 година той предполага, че светлината може да е вид смущение на средата, което се разпространява по дължината на магнитните линии на полето. Фарадей прави предположенито през 1847 година, че светлината е високочестотно електромагнитно трептене, което може да се разпространява дори без наличие на среда.

Двете осцилиращи компоненти на електромагнитното поле - електричното (E) и магнитното (B) под прави ъгли едно на друго и перпендикулярни на посоката на разпространение на вълната.

Работите на Фарадей вдъхновяват Джеймс Кларк Максуел да изучава електромагнитното излъчване и светлината. Той открива, че самостоятелно разпространяващи се електромагнитни вълни пътуват в пространството с постоянна скорост, която е равна на измерената преди това.

Поляризация на светлината

От всичко това Максуел заключава, че светлината представлява електромагнитно излъчване. За първи път той заявява това през 1862 година в Физичните линии на силата. През 1873 година той публикува Трактат по електричество и магнетизъм, който съдържа пълно математическо описание на поведението на електричното и магнитно поле, днес известни като уравнения на Максуел. Малко по-късно Хайнрих Херц потвърждава експериментално теорията на Максуел с генериране и детектиране на радио вълни в лабораторията си и демонстрира, че тези вълни се държат по абсолютно същия начин като видимата светлина и имат свойството да се отразяват, пречупват, дифрактират и интерферират. Теорията на Максуел и опитите на Херц водят до развитието на съвременните радио, радар, телевизия, безжични комуникации и други.

Специалната теория на относителността - СТО

Вълновата теория успява да обясни почти всички оптични и електромагнитни явления и е голям успех на физиката на 19-ти век. В края на 19-ти век обаче се оказва, че съществува един минимален брой явления, които не могат да бъдат обяснени или са в пряк конфликт с тази теория.

Една от тези аномалии е противоречието, свързано със скоростта на светлината.

Постоянната скорост на светлината, изведена от уравненията на Максуел и потвърдена от опитите на Майкелсън-Морли противоречи на законите на механиката, известни и непроменени още от времето на Галилео Галилей, които постулират, че всички скорости са относителни по отношения на наблюдателя.

През 1905 година Алберт Айнщайн разрешава този парадокс като ревизира модела на Галилео за време и пространство и законите на Нютон за движение сдобавката за постоянна скорост на светлината.

Айнщайн формулира своите идеи в специалната теория на относителността, която дава съвсем нов поглед върху понятията време и пространство. Айнщайн също така показва равностойността на маса и енергия с широко популярното си уравнение: , където E е енргията, m е обикновено масата в покой или релативистката маса и c е скоростта на светлината във вакуум.

Втори прочит на корпускулярната история

Друга аномалия е фотоелектричният ефект, при който ако повърхността на метал се освети, се освобождават електрони от тази повърхност и протича електрически ток. Експериментите показват, че енергията на индивидуалните електрони е пропорционална на честотата вместо на интензитета на източника на светлина.

Под една определена честота, взависимост от метала, не протича електрически ток, независимо от интензитета. Това противоречи на вълновата теория и върху този проблем физиците работят в продължение на много години за да намерят обяснение.

През 1905 година Айнщайн разрешава и тази загадка, този път с помощта на забравената и отхвърлена корпускулярна теория на светлината. Поради този факт обаче, идеите на Алберт Айнщайн в началото са посрещнати с голяма доза скептицизъм в средата на известните физици.

Но неговото обяснение постепенно се утвърждава, той дори получава Нобеловата си награда именно заради фотоелектичния ефект. Всичко това създава основата за корпускулярно-вълновия дуализъм и една голяма част от квантовата механика.

Квантовата теория

Третата аномалия която се проявява в края на 19-ти век е противоречието между вълновата теория на светлината и измерванията на електромагнитния спектър на тела, които излъчват при нагряване или така наречените абсолютно черни тела.

Физиците дълго време се мъчат да разрешат този проблем, неуспешно, който по-късно става известен като ултравиолетова катастрофа. През 1900 г. Макс Планк създава нова теория за излъчването на абсолютно черно тяло, която обяснява експерименталния спектър. Тя се основава на идеята, че черните тела излъчват светлина само дискретно (а не непрекъснато) в отделни пакети енергия. Тези пакети той нарича квант и дава име на частицата на светлината фотон за да има същото звучене като електрон и протон. Енергията на фотона E е пропорционална на неговата честота f и се дава с формулата E=hv , където h е константата на Планк, е дължината на вълната, а c скоростта на светлината. Импулсът p на фотона е пропорционален на неговата честота и обратно пропорционален на неговата дължина на вълната:

През 1918 година Макс Планк получава Нобеловата награда за физика за неговата роля в основаването на квантовата механика.

Корпускулярно-вълнов дуализъм

Модерната теория обяснява същността и природата на светлината с дуализма частица-вълна, описан от Алберт Айнщайн в началото на 1900-те и основан на неговите изследвания на фотоелектричния ефект и резултатите на Планк. Айнщайн убедително показва, че енергията на фотона е пропорционална на неговата честота.

Неговата теория изказва становището, че въобще всичко има вълнова и корпускулярна същност и че могат да се проведат различни опити, които да показват едната или другата същност. Корпускулярната същност е видна повече при обекти с голяма маса.

През 1924 година Луи дьо Бройл прави предположение, което кара научната общност да осъзнае, че електроните също проявяват този дуализъм и са едновременно частица и вълна. Вълновата природа на електрона е експериментално потвърдена от Дейвисън и Джермър през 1927 година. Айнщайн получава Нобелова награда през 1921 година за работата си над дуализма на фотона и по-специално заради обяснението си на фотоелектричния ефект.

През 1929 година дьо Бройл получава Нобелова награда заради своето предположение, че корпускулярно-вълновият дуализъм е характерен и за други елементарни частици.

Квантова електродинамика

Представите за светлината продължават да еволюират и през 1920-те и 1930-те, и достигат своя връх със създаването през 1940-те на теорията на квантовата електродинамика.

Квантовата теория на полето е една от най-успешните, от теоретична и експериментална гледна точка.

Учените с най-големи приноси в разработването ѝ са Ричард Файнман, Фриймън Дайсън, Джулиан Швингър и Шиничиро Томонага. Файнман, Швингър и Томонага си поделят Нобеловата награда за физика през 1965 г. за приносите си в развитието на квантовата електродинамика и квантовата теория на полето.


...

източник на информация: Уикипедия

...