Электромагнитная природа света

Вы уже знакомились с таким разделом физики, как оптика, где мы рассматривали распространение света в пространстве, а также явления отражения и преломления света. Но тогда мы с вами не задавались вопросом о природе света, то есть что такое свет? Вопрос достаточно интересный, и он волновал учёных ещё с глубокой древности. Началось всё как обычно с древних греков. Так, древнегреческий философ Эмпедокл считал, что «свет есть движение». Его соотечественник Аристотель наоборот говорил, что «свет — это просто присутствие чего-то в природе и всё. Ничего никуда не движется». А Птолемей и Евклид вообще считали, что «из глаз выходят чувствительные нити, которые ощупывают своими концами тела и создают зрительные ощущения».

Однако две основные теории о том, что же такое свет, сложились в конце семнадцатого и начале восемнадцатого века и возникли они практически одновременно. Первая теория называется корпускулярной теорией света, и связана она с именем известного вам учёного — Исааком Ньютоном. Так вот, Ньютон считал, что свет — это поток отдельных частиц (корпускул), которые распространяются во все стороны от источника света.

Вторая теория света — волновая, была разработана Робертом Гуком и Христианом Гюйгенсом. Согласно этой теории, свет представляет собой упругую волну, которая распространяется в какой-то гипотетической среде — светоносном эфире, который заполняет все пространство и проникает во внутрь любых тел.

И обе эти теории существовали довольно длительное время. И лишь авторитет Ньютона позволял переманивать учёных на сторону корпускулярной теории.

Неопределённость в выборе теории света связана с тем, что открытые к тому времени законы распространения света могли объясняться обеими теориями. Например, закон прямолинейного распространения света, а также образование тени можно было объяснить только на основе корпускулярных взглядов, согласно которым прямолинейное распространение света является просто следствием из закона инерции.

Однако теория Ньютона не могла дать чёткого объяснения тому, почему при пересечении световых пучков, они продолжают независимое движение, а не рассеиваются. Волновая же теория это легко объясняла.

И вот начало 19 века: открываются два новых световых явления: интерференция и дифракция. Первое состоит в явлении усиления или ослабления света при наложении световых пучков друг на друга, а второе — в том, что свет способен огибать препятствия, соизмеримые с длиной волны.

Уже тогда было известно, что оба этих явления наблюдаются у механических волн, и вообще, они присущи только волновому процессу любой природы. Кроме того, в первой четверти девятнадцатого века французский физик Огустен Жан Френель создал теорию интерференции и дифракции. Казалось бы, победа сторонников волновой теории уже близка. Тут ещё и Максвелл публикует свою теорию электромагнетизма, где предположил, что свет — это частный случай проявления электромагнитных волн, распространяющихся не только в веществе, но и в вакууме. А после обнаружения Герцем этих самых волн, вообще не остаётся никаких сомнений в том, что свет имеет электромагнитную (а значит и волновую) природу.

Как вы помните, Максвелл не только предсказал существование электромагнитных волн, но и рассчитал скорость их распространения в вакууме и, соответственно, скорости света, — 300 000 км/с, что согласовывалось со многими экспериментальными данными.

Давайте немного отвлечёмся, и рассмотрим некоторые методы по определению скорости света того времени. Первым методом измерения скорости света был астрономический, который был предложен в тысяча шестьсот семьдесят шестом году датским учёном Олафом Рёмером. К этому времени большинство астрономов с помощью телескопа Галилея постоянно наблюдали за четырьмя спутниками Юпитера — Ио, Европой, Каллисто и Ганимедом. Они даже определили примерный период вращения ближайшего к Юпитеру спутника — Ио, который составил около сорока двух с половиной часов.

Так вот, Рёмер наблюдал за этим спутником в течении полугода и обнаружил странную вещь. Оказалось, что момент затмения Ио опаздывает относительно вычисленного. Наблюдения показали, что когда Земля располагалась ближе всего к Юпитеру, Ио находился в его тени в течение примерно 42,5 часов. Когда же полгода спустя Земля удалилась на максимальное расстояние от Юпитера, то это время увеличилось на 22 минуты.

Учёный предположил, что запаздывание связано с конечностью скорости распространения света. Он рассуждал так: поскольку за полгода Земля переместилась из ближайшего положения к Юпитеру в самое отдалённое, то надо учитывать время, необходимое для того, чтобы свет прошёл добавочное расстояние, примерно равное диаметру земной орбиты. Так вот просто разделив диаметр Земли на 22 минуты Рёмер получил, что скорость света составляет примерно 220 000 км/с.

Первый лабораторный опыт по измерению скорости света был проведён в тысяча восемьсот сорок девятом году французским физиком Арманом Ипполитом Луи Физо.

В установке Физо узкий луч света разбивался на импульсы, проходя сквозь зубья быстро вращающегося колеса, причём зубец и прорезь колеса имели одинаковую ширину. Импульсы попадали на зеркало, находящееся на расстоянии восьми целых и шестидесяти шести сотых километра от источника и ориентированное перпендикулярно ходу луча. Экспериментатор, изменяя скорость вращения колеса, добивался, чтобы за то время, которое луч света шёл к зеркалу и обратно, колесо успевало повернуться ровно на одно деление, коих на колесе Физо было 720.

Итак, за время движения импульса света до зеркала и обратно место первой прорези на колесе занимает следующая за ней прорезь. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно окажется равным времени поворота зубчатого колеса на суммарную ширину зубца и прорези.

В записанных формулах L — это расстояние от зубчатого колеса до зеркала; T —период вращения зубчатого колеса; N — число зубцов, а v — частота вращения колеса, при которой в окуляре вновь появляется свет после первого исчезновения.

Таким образом, совпадение значений скорости света, полученных экспериментально и теоретически, является одним из доказательств того, что свет — это электромагнитные волны.

Окончательно электромагнитная теория света утвердилась после обнаружения Петром Николаевичем Лебедевым давления света на тела, расположенные на пути его распространения.

Таким образом, волновая теория о природе света эволюционировала в электромагнитную теорию света. Согласно этой теории свет — это электромагнитная волна определённого оптического диапазона, с длиной волны от трёхсот восьмидесяти до семисот шестидесяти нанометров.

Но не все так просто в мире физики. В конце 19 века опять меняется представление о природе света. Оказалось, что отвергнутая корпускулярная теория имеет право на жизнь, так как был открыт целый ряд экспериментальных фактов, которые можно было объяснить только на основе корпускулярных представлений о свете.

В 1900 году немецкий физик Макс Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. При это энергия такой порции прямо пропорциональна частоте излучения.

А в 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул идею о том, что электромагнитные волны можно рассматривать как поток квантов излучения — фотонов. Фотон (от греческого слова «свет») — это безмассовая, электрически нейтральная элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения, и всегда распространяющаяся со скоростью света.

Таким образом, возникла непростая ситуация: с одной стороны явления интерференции и дифракции по-прежнему можно объяснить только на основе электромагнитной теории света, а явления излучения и поглощения света только на основе корпускулярных представлений.

В 1927 году немецкий физик Нильс Бор сформулировал принцип дополнительности: для полного понимания природы света необходимо учитывать, как волновые, так и корпускулярные свойства света: они взаимно дополняют друг друга.

Однако для объяснения какого-либо эксперимента следует использовать либо волновые, либо корпускулярные представления о природе света, но не те и другие одновременно.

В настоящее время мы это называем корпускулярно-волновым дуализмом.