Физическая природа света

Классическая физика применима главным образом к объектам макромира. В микро- и мегамире это применение становится условным, так как ее понятия требуют расширения или уточнения. Но и в самом макромире можно указать явления, не укладывающиеся в рамки классических теорий и поэтому кажущиеся чем-то загадочным.

Пример такой загадки являет собой свет. Несмотря на свою неуловимость для человеческого мышления, он позволяет человеку получать более 90% всей информации. Видимо, поэтому феномен света присутствует практически во всех картинах мира древних народов в качестве первичного элемента. Как правило, он отождествляется либо с огнем, либо с солнцем, ибо его роль для жизни на Земле всегда была очевидна.

По своим свойствам свет резко отличается от других объектов, и еще в древности появились различные теории световых явлений. Поскольку древние греки считали человеческое бытие встроенным в окружающий мир естественным образом, то они рассматривали свет преимущественно в связи с его значением для зрения. Свет как бы истекает из наших глаз и направляется на окружающие тела. Мы ощупываем вещь органом зрения, т.е. зрение сродни осязанию. Столь же теоретично утверждение Аристотеля о мгновенности распространения света.

Античное представление о свете как посреднике человеческого познания еще больше укрепилось в Средние века. Вещи высвечиваются светом, приобретают свой настоящий облик и видимый цвет только при воздействии света. Так как в вещах и явлениях видели прежде всего духовное содержание, то и свет считали носителем духовного начала мира.

После выделения физики как науки на основе эксперимента обратили внимание на то, что свет обладает энергией и переносит ее в пространстве. Поскольку энергию могут переносить либо тела, либо волны, были выдвинуты две прогрессивные гипотезы о природе света. По одной из них свет есть вещество, по другой – волна, т.е. распространение колебаний особого рода (движений колебательных).

Первая гипотеза легла в основу корпускулярной теории Ньютона. Согласно Ньютону, свет состоит из малых частичек-корпускул вещества, испускаемых во всех направлениях светящимся телом по прямым линиям-лучам. Если эти лучи попадают на глаз, мы видим их источник. С точки зрения Ньютона, эта теория естественным образом объясняла прямолинейное распространение света. Преломление и отражение света на границе двух веществ Ньютон объяснял притяжением и отталкиванием световых корпускул молекулами этих веществ в соответствии с законом всемирного тяготения.

Вторая гипотеза отстаивалась Гюйгенсом в его волновой теории света. Он представлял свет в виде механических волн, т.е. распространения механических колебаний частиц особого эфира. Этот эфир заполняет все пространство, а также прозрачные тела в нем. Лучи – это просто математические линии, перпендикулярные волновым фронтам, т.е. поверхностям, до которых дошли колебания. Движением этих поверхностей он объяснял как преломление, отражение, так и огибание светом препятствий малых размеров, т.е. дифракционные явления.

Хотя обе эти теории были предложены одновременно и хорошо объясняли все известные в XVII-XVIII веках световые явления, утвердилась теория Ньютона, видимо, в связи с его бóльшим авторитетом и с ее видимой простотой (логической). Ведь волновая теория требовала дополнительного предположения о существовании эфира.

Волновая теория получила признание только в XIX веке в связи с экспериментами по изучению волновых свойств света.

В 1801 году Юнг провел следующий опыт. Две светящиеся щели S₁ и S₂ в экране Э₁ испускали свет на экран Э₂. На Э₂ наблюдалась картина чередования светлых и темных полос. Юнг впервые истолковал этот эффект как результат интерференции, т.е. наложения двух световых волн источников S₁ и S₂, при котором происходит перераспределение световой энергии в пространстве между экранами Э₁ и Э₂. Формула Юнга позволяла вычислить микроскопическую характеристику световых колебаний – длину волны

λ = 3,8∙10^{-7 м (фиолетовый цвет) – 7,6∙10-7 м (красный).}

В формуле Юнга:

d – расстояние между щелями,

x – расстояние между полосами,

L – расстояние между экранами.

Рисунок 12

Френель изучал дифракционные явления и установил, что свет может попасть в область геометрической тени и способен обогнуть препятствие, если его размер сравним с длиной волны.

Скорость света была измерена и оказалась различной в разных веществах.

Наконец, Майкельсон и Морли экспериментально доказали, что эфира обнаружить нельзя, а измерения скорости света любыми способами всегда дают одно и то же значение.

Следовательно, природа световых волн немеханическая. Максвелл предположил, что эта природа электромагнитная, на том основании, что из его теории электромагнитного поля следует, что электромагнитные волны распространяются со скоростью, равной скорости света. Источником света он считал колеблющиеся электрические заряды, которые вызывают периодические изменения электромагнитного поля в пространстве. Цвет световой волны определяется частотой этих колебаний.

Волновая теория Максвелла хорошо объясняла явления, связанные с распространением света, но была непригодна к описанию его испускания или поглощения.

Чтобы объяснить также и эти явления, Планк в 1900 году выдвинул гипотезу об испускании света нагретыми телами в виде определенных и неделимых порций энергии, названных квантами или фотонами.

В дальнейшем Эйнштейн использовал гипотезу Планка для создания квантовой теории света. Эта теория связывала волновые и корпускулярные свойства света. Математически связь между ними выражена формулой Планка:

, где W – энергия кванта (светового), ν – частота колебаний электромагнитного поля (волны), h = 6,62∙10^-34 Дж∙с – постоянная Планка.

Таким образом, световая волна заданной частоты ν состоит из световых квантов с определенной энергией W. Пока фотон существует, он движется с постоянной скоростью, равной скорости света. При встрече с веществом он может быть поглощен, т.е. исчезает, а его энергия целиком переходит к поглотившей его частице вещества.

В рамках квантовой теории физическая природа света двойственна. В одних явлениях свет обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные. Однако, неясно, как такие противоречивые свойства объединяются в процессе испускания света, и поэтому даже физическая природа света сохраняет некоторую загадочность.