Od doby, kdy Démokritos – řecký filozof, který žil mezi 5. a 4. stoletím př. n. l. – tvrdil, že veškerá existence se skládá z malých nedělitelných atomů, vědci spekulují o skutečné povaze světla. Zatímco vědci se až do moderní éry odvážili tam a zpět mezi představou, že světlo je částice nebo vlna, 20. století vedlo k průlomům, které nám ukázaly, že se chová jako obojí.
Mezi ně patřil objev elektronu, vývoj kvantové teorie a Einsteinova teorie Teorie relativity . Ohledně světla však zůstává mnoho nezodpovězených otázek, z nichž mnohé vyplývají z jeho dvojí povahy. Jak je například možné, že světlo může být zjevně bez hmoty, ale přesto se může chovat jako částice? A jak se může chovat jako vlna a procházet vakuem, když všechny ostatní vlny ke svému šíření vyžadují médium?
Teorie světla do 19. století:
Během vědecké revoluce se vědci začali vzdalovat od aristotelských vědeckých teorií, které byly po staletí považovány za uznávaný kánon. To zahrnovalo odmítnutí Aristotelovy teorie světla, která jej považovala za poruchu ve vzduchu (jeden z jeho čtyř „prvků“, které skládaly hmotu), a přijetí více mechanistického názoru, že světlo se skládá z nedělitelných atomů.
V mnoha ohledech byla tato teorie představena atomisty klasického starověku – jako Democritus a Lucretius – oba chápali světlo jako jednotku hmoty vydávanou sluncem. V 17. století se objevilo několik vědců, kteří přijali tento názor a uvedli, že světlo je tvořeno diskrétními částicemi (neboli „částicemi“). Patřili sem Pierre Gassendi, současník Reného Descarta, Thomas Hobbes, Robert Boyle a nejslavnější, Sir Isaac Newton .
První vydání Newtonovy optiky: aneb pojednání o odrazech, lomech, ohybech a barvách světla (1704). Kredit: Public Domain.
Newtonova korpuskulární teorie byla rozpracováním jeho pohledu na realitu jako na interakci hmotných bodů prostřednictvím sil. Tato teorie zůstane uznávaným vědeckým názorem po více než 100 let, jejíž principy byly vysvětleny v jeho pojednání z roku 1704 „ Optika aneb Pojednání o odrazech, lomech, ohybech a barvách světla “. Podle Newtona by se principy světla daly shrnout takto:
- Každý zdroj světla vyzařuje velké množství drobných částic známých jako tělíska v médiu obklopujícím zdroj.
- Tyto krvinky jsou dokonale elastické, tuhé a beztížné.
To představovalo výzvu pro „teorii vln“, kterou obhajoval holandský astronom ze 17. století Christian Huygens . . Tyto teorie byly poprvé sděleny v roce 1678 Pařížské akademii věd a byly publikovány v roce 1690 v jeho' Pojednání o světle '('Pojednání o světle“). V něm argumentoval revidovanou verzí Descartových názorů, ve kterých je rychlost světla nekonečná a šíří se pomocí sférických vln vyzařovaných podél čela vlny.
Experiment s dvojitou štěrbinou:
Počátkem 19. století začali vědci s korpuskulární teorií opouštět. Částečně to bylo způsobeno tím, že korpuskulární teorie nedokázala dostatečně vysvětlit difrakci, interferenci a polarizaci světla, ale bylo to také kvůli různým experimentům, které, jak se zdálo, potvrdily stále konkurenční názor, že světlo se chová jako vlna.
Nejslavnější z nich byl pravděpodobně Experiment s dvojitou štěrbinou , který byl původně dirigován anglickým polyhistorem Thomasem Youngem v roce 1801 (i když se věří, že něco podobného ve své době dirigoval Sir Isaac Newton). V Youngově verzi experimentu použil proužek papíru s vyříznutými štěrbinami a poté na ně namířil světelný zdroj, aby změřil, jak jím světlo prochází.
Podle klasické (tedy newtonovské) částicové teorie měly výsledky experimentu odpovídat štěrbinám, dopady na stínítko se projevovaly ve dvou svislých liniích. Místo toho výsledky ukázaly, že koherentní paprsky světla interferovaly a vytvářely na obrazovce vzor jasných a tmavých pásů. To odporovalo klasické částicové teorii, ve které se částice vzájemně neruší, ale pouze se srážejí.
Jediným možným vysvětlením tohoto vzoru interference bylo, že světelné paprsky se ve skutečnosti chovaly jako vlny. Tento experiment tedy rozptýlil představu, že světlo se skládá z tělísek a hraje zásadní roli v přijetí vlnové teorie světla. Avšak následný výzkum, zahrnující objev elektronu a elektromagnetického záření, by vedl k tomu, že by vědci znovu uvažovali o tom, že světlo se také chovalo jako částice, což dalo vzniknout teorii duality vlny a částic.
Elektromagnetismus a speciální teorie relativity:
Před 19. a 20. stoletím již byla rychlost světla určena. První zaznamenaná měření provedl dánský astronom Ole Rømer, který v roce 1676 prokázal pomocí měření světla z Jupiterova měsíce Io, aby ukázal, že světlo se šíří konečnou rychlostí (spíše než okamžitě).
Prof. Albert Einstein přednáší 11. přednášku Josiaha Willarda Gibbse na zasedání Americké asociace pro rozvoj vědy dne 28. prosince 1934. Kredit: AP Photo
Koncem 19. století James Clerk Maxwell navrhl, že světlo je elektromagnetická vlna, a vymyslel několik rovnic (známých jako Maxwellovy rovnice ) popsat, jak jsou elektrická a magnetická pole generována a měněna navzájem a jak pomocí nábojů a proudů. Díky měření různých typů záření (magnetická pole, ultrafialové a infračervené záření) byl schopen vypočítat rychlost světla ve vakuu (reprezentované jakoC).
V roce 1905 Albert Einstein zveřejněno“O elektrodynamice pohybujících se těles“, ve které prosadil jednu ze svých nejslavnějších teorií a převrátil staletí přijímané představy a ortodoxie. Ve svém příspěvku předpokládal, že rychlost světla je stejná ve všech inerciálních vztažných soustavách, bez ohledu na pohyb světelného zdroje nebo polohu pozorovatele.
Zkoumání důsledků této teorie ho vedlo k navržení své teorie Speciální teorie relativity , který uvedl do souladu Maxwellovy rovnice pro elektřinu a magnetismus se zákony mechaniky, zjednodušil matematické výpočty a v souladu s přímo pozorovanou rychlostí světla a zohlednil pozorované aberace. To také ukázalo, že rychlost světla má význam mimo kontext světla a elektromagnetismu.
Jednak zavedl myšlenku, že k velkým změnám dochází, když se věci pohybují blízko rychlosti světla, včetně časoprostorového rámce pohybujícího se tělesa, který se zpomaluje a smršťuje ve směru pohybu, když je měřen v rámci pozorovatele. Po staletích stále přesnějších měření byla rychlost světla v roce 1975 určena na 299 792 458 m/s.
Einstein a foton:
V roce 1905 Einstein také pomohl vyřešit velký zmatek kolem chování elektromagnetického záření, když navrhl, že elektrony jsou emitovány z atomů, když absorbují energii ze světla. Známý jako fotoelektrický efekt Einstein založil svou myšlenku na Planckově dřívější práci s „černými tělesy“ – materiály, které elektromagnetickou energii absorbují, místo aby ji odrážely (tj. bílá tělesa).
V té době byl Einsteinův fotoelektrický efekt pokusem vysvětlit „problém černého tělesa“, ve kterém černé těleso vyzařuje elektromagnetické záření v důsledku tepla objektu. To byl ve světě fyziky přetrvávající problém vyplývající z objevu elektronu, ke kterému došlo teprve před osmi lety (díky britským fyzikům vedeným J.J. Thompson a experimenty s použitím katodových trubic ).
V té době vědci stále věřili, že elektromagnetická energie se chová jako vlna, a proto doufali, že ji budou schopni vysvětlit v podmínkách klasické fyziky. Einsteinovo vysvětlení představovalo rozchod s tímto tvrzením, že elektromagnetické záření se chovalo způsobem, který je v souladu s částicí – kvantovanou formou světla, kterou nazval „fotony“. Za tento objev byla Einsteinovi v roce 1921 udělena Nobelova cena.
Dualita vlny a částic:
Následující teorie o chování světla by tuto myšlenku dále zpřesnily, což zahrnovalo francouzského fyzika Louise-Victora de Broglie, který vypočítal vlnovou délku, při které světlo fungovalo. Následoval Heisenbergův „princip nejistoty“ (který tvrdil, že přesné měření polohy fotonu by narušilo měření jeho hybnosti a naopak) a Schrödingerův paradox, který tvrdil, že všechny částice mají „vlnovou funkci“.
V souladu s kvantově mechanickým vysvětlením Schrodinger navrhl, aby všechny informace o částici (v tomto případě o fotonu) byly zakódovány v jejímvlnová funkce, komplexně hodnocená funkce zhruba analogická amplitudě vlny v každém bodě v prostoru. V určitém místě se měření vlnové funkce náhodně „zhroutí“ nebo spíše „odkoheruje“ do ostře vrcholové funkce. To bylo ilustrováno ve slavném Schrödingerově paradoxu zahrnujícím uzavřenou krabici, kočku a lahvičku s jedem (známou jako „ Schrödinger Cat” paradox).
Umělcův dojem dvou fotonů cestujících na různých vlnových délkách, což má za následek různě barevné světlo. Poděkování: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Podle jeho teorie se vlnová funkce také vyvíjí podle diferenciální rovnice (aka Schrödingerova rovnice ). Pro částice s hmotností má tato rovnice řešení; ale pro částice bez hmotnosti žádné řešení neexistovalo. Další experimenty zahrnující experiment s dvojitou štěrbinou potvrdily dvojí povahu fotonů. kde byla začleněna měřící zařízení pro pozorování fotonů při průchodu štěrbinami.
Když se tak stalo, fotony se objevily ve formě částic a jejich dopady na stínítko odpovídaly štěrbinám – drobným skvrnám velikosti částic rozmístěným v přímých vertikálních liniích. Umístěním pozorovacího zařízení na místo se vlnová funkce fotonů zhroutila a světlo se opět chovalo jako klasické částice. Jak předpověděl Schrödinger, toto by se dalo vyřešit pouze tvrzením, že světlo má vlnovou funkci a že jeho pozorování způsobí kolaps škály behaviorálních možností do bodu, kdy se jeho chování stane předvídatelným.
Vývoj kvantové teorie pole (QFT) byl navržen v následujících desetiletích, aby vyřešil mnoho nejasností kolem duality vlny a částic. A časem se ukázalo, že tato teorie platí i pro jiné částice a základní síly interakce (jako jsou slabé a silné jaderné síly). Dnes jsou fotony součástí standardního modelu částicové fyziky, kde jsou klasifikovány jako bosony – třída subatomárních částic, které jsou nositeli síly a nemají žádnou hmotnost.
Jak se tedy světlo šíří? V podstatě cestování neuvěřitelnou rychlostí (299 792 458 m/s) a na různých vlnových délkách v závislosti na jeho energii. Chová se také jako vlna i jako částice, schopné se šířit médii (jako vzduch a voda) i prostorem. Nemá žádnou hmotnost, ale přesto může být absorbován, odražen nebo lámán, pokud přijde do kontaktu s médiem. A nakonec jediná věc, která jej může skutečně odklonit nebo zastavit, je gravitace (tj. černá díra).
To, co jsme se naučili o světle a elektromagnetismu, bylo nedílnou součástí revoluce, která se odehrála ve fyzice na počátku 20. století, revoluce, se kterou se od té doby potýkáme. Díky úsilí vědců jako Maxwell, Planck, Einstein, Heisenberg a Schrodinger jsme se toho hodně naučili, ale stále se máme co učit.
Například jeho interakce s gravitací (spolu se slabými a silnými jadernými silami) zůstává záhadou. Odemknutí tohoto a tedy objevení Teorie všeho (ToE) je něco, na co se astronomové a fyzici těší. Jednou na to možná přijdeme!
Napsali jsme mnoho článků o světle zde na Universe Today. Například zde je Jak vysoká je rychlost světla? , Jak daleko je světelný rok? , Co je Einsteinova teorie relativity?
Pokud chcete více informací o světle, podívejte se na tyto články od Hypertextová učebnice fyziky a NASA Věda o misích strana.
Nahráli jsme také celou epizodu Astronomy Cast o mezihvězdném cestování. Poslouchej tady, 145. díl: Mezihvězdné cestování .