Kas yra šviesa? Šis klausimas žmoniją domino visais amžiais, tačiau tik mūsų eros XX amžiuje buvo galima daug paaiškinti apie šio reiškinio prigimtį. Šiame straipsnyje pagrindinis dėmesys bus skiriamas korpuskulinei šviesos teorijai, jos pranašumams ir trūkumams.
Nuo antikos filosofų iki Christiano Huygenso ir Isaaco Newtono
Kai kurie įrodymai, išlikę iki mūsų laikų, sako, kad žmonės pradėjo domėtis šviesos prigimtimi senovės Egipte ir senovės Graikijoje. Iš pradžių buvo manoma, kad objektai skleidžia savo vaizdus. Pastarieji, patekę į žmogaus akis, sukuria objektų matomumo įspūdį.
Tada, Graikijoje formuojantis filosofinei minčiai, atsirado nauja Aristotelio teorija, kuri tikėjo, kad kiekvienas žmogus iš akių skleidžia tam tikrus spindulius, kurių dėka gali „jausti“daiktus.
Viduramžiai neatnešė jokio aiškumo nagrinėjamam klausimui, nauji pasiekimai atėjo tik su Renesansu ir mokslo revoliucija. Visų pirma XVII amžiaus antroje pusėje atsirado dvi visiškai priešingos teorijos, kurios siekėpaaiškinti su šviesa susijusius reiškinius. Kalbame apie Christiano Huygenso bangų teoriją ir Izaoko Niutono korpuskulinę teoriją.
Nepaisant kai kurių bangų teorijos sėkmių, ji vis tiek turėjo daug svarbių trūkumų:
- tikėjo, kad šviesa sklinda eteryje, kurios niekas niekada neatrado;
- skersinė bangų prigimtis lėmė, kad eteris turi būti kieta terpė.
Atsižvelgiant į šiuos trūkumus, taip pat į didžiulį Niutono autoritetą tuo metu, dalelių-kūnelių teorija mokslininkų rate buvo priimta vienbalsiai.
Korpuskulinės šviesos teorijos esmė
Niutono mintis kuo paprastesnė: jei visi mus supantys kūnai ir procesai aprašyti klasikinės mechanikos dėsniais, kuriuose dalyvauja baigtinės masės kūnai, tai šviesa taip pat yra mažos dalelės arba korpuseliai. Jie juda erdvėje tam tikru greičiu, jei sutinka kliūtį, nuo jos atsispindi. Pastarasis, pavyzdžiui, paaiškina šešėlio egzistavimą ant objekto. Šios idėjos apie šviesą išliko iki XIX amžiaus pradžios, tai yra apie 150 metų.
Įdomu pastebėti, kad Lomonosovas XVIII amžiaus viduryje panaudojo Niutono korpuskuliarinę teoriją aiškindamas dujų elgseną, aprašytą jo darbe „Matematinės chemijos elementai“. Lomonosovas manė, kad dujos yra sudarytos iš ląstelių dalelių.
Ką paaiškino Niutono teorija?
Sukurtos idėjos apie šviesądidžiulis žingsnis siekiant suprasti jo prigimtį. Niutono kraujo kūnelių teorija galėjo paaiškinti šiuos reiškinius:
- Tiesioginis šviesos sklidimas vienalytėje terpėje. Iš tiesų, jei judančio šviesos korpuso neveikia jokios išorinės jėgos, tada jo būsena sėkmingai aprašyta pirmuoju Niutono klasikinės mechanikos dėsniu.
- Refleksijos reiškinys. Patekęs į sąsają tarp dviejų terpių, korpusas patiria absoliučiai elastingą susidūrimą, dėl kurio išsaugomas jo impulso modulis, o jis pats atsispindi kampu, lygiu kritimo kampui.
- Lūžio reiškinys. Niutonas manė, kad prasiskverbęs į tankesnę terpę iš ne tokios tankios (pavyzdžiui, iš oro į vandenį), korpusas pagreitėja dėl tankios terpės molekulių pritraukimo. Dėl šio pagreitėjimo jo trajektorija pasikeičia arčiau įprastos, tai yra, pastebimas lūžio efektas.
- Gėlių egzistavimas. Teorijos kūrėjas tikėjo, kad kiekviena stebima spalva atitinka jos pačios „spalvos“korpusą.
Pateiktos teorijos problemos ir grįžimas prie Huygenso idėjos
Jie pradėjo ryškėti, kai buvo atrasti nauji su šviesa susiję efektai. Pagrindinės yra difrakcija (nukrypimas nuo tiesinio šviesos sklidimo, kai spindulys praeina pro plyšį) ir interferencija (Niutono žiedų reiškinys). Atradę šias šviesos savybes, XIX amžiuje fizikai pradėjo prisiminti Huygenso darbus.
Tame pačiame XIX amžiuje Faradėjus ir Lencas tyrė kintamų elektrinių (magnetinių) laukų savybes irMaxwellas atliko atitinkamus skaičiavimus. Dėl to buvo įrodyta, kad šviesa yra elektromagnetinė skersinė banga, kuriai egzistuoti nereikia eterio, nes ją formuojantys laukai sklidimo procese generuoja vienas kitą.
Nauji atradimai, susiję su šviesa ir Maxo Plancko idėja
Atrodytų, Niutono korpuskulinė teorija jau visiškai palaidota, tačiau XX amžiaus pradžioje pasirodo nauji rezultatai: paaiškėja, kad šviesa gali „ištraukti“elektronus iš materijos ir daryti spaudimą kūnams krenta ant jų. Šiuos reiškinius, prie kurių buvo pridėtas nesuprantamas juodo kūno spektras, bangų teorija pasirodė bejėgė paaiškinti.
Sprendimą rado Maxas Planckas. Jis pasiūlė, kad šviesa sąveikauja su materijos atomais mažų dalių, kurias jis pavadino fotonais, pavidalu. Fotono energiją galima nustatyti pagal formulę:
E=hv.
Kur v – fotono dažnis, h – Planko konstanta. Šios šviesos idėjos dėka Maxas Planckas padėjo pamatą kvantinės mechanikos plėtrai.
Naudodamas Plancko idėją, Albertas Einšteinas 1905 m. paaiškina fotoelektrinio efekto fenomeną, 1912 m. Nielsas Bohras paaiškina atominės emisijos ir sugerties spektrus, o 1922 m. Comptonas atranda efektą, kuris dabar vadinamas jo vardu. Be to, Einšteino sukurta reliatyvumo teorija paaiškino gravitacijos vaidmenį nukrypstant nuo tiesinio šviesos pluošto sklidimo.
Taigi šių XX amžiaus pradžios mokslininkų darbai atgaivino Niutono idėjas apiešviesa XVII amžiuje.
Korpuskulinių bangų šviesos teorija
Kas yra šviesa? Ar tai dalelė ar banga? Sklindant terpėje ar beorėje erdvėje, šviesa pasižymi bangos savybėmis. Kai atsižvelgiama į jo sąveiką su medžiaga, ji elgiasi kaip materiali dalelė. Todėl šiuo metu kalbant apie šviesą įprasta kalbėti apie jos savybių dualizmą, kuris aprašomas korpuskulinės bangos teorijos rėmuose.
Šviesos dalelė – ramybės būsenoje fotonas neturi nei krūvio, nei masės. Jo pagrindinė charakteristika yra energija (arba dažnis, kuris yra tas pats, jei atkreipsite dėmesį į aukščiau pateiktą išraišką). Fotonas yra kvantinis mechaninis objektas, kaip ir bet kuri elementari dalelė (elektronas, protonas, neutronas), todėl turi impulsą, tarsi būtų dalelė, bet jo negalima lokalizuoti (nustatyti tikslias koordinates), tarsi jis būtų banga.
