Вы считаете, что знаете ответ? Вы уверены? Вы вообще свет видели когда-нибудь?
Да знаю я, знаю. , иначе бы вы это сейчас не читали. Но видели ли вы когда-либо кусок света? Чтоб в углу тихо лежал, ну или там в воздухе хотя бы висел. Если все же допустить, что свет состоит из частиц или из волн, то какого они размера? Насколько близко нужно к ним подобраться, чтобы их увидеть?
Ответ для самых нетерпеливых
Много лет назад ученым, работавшим со светом, постоянно задавали этот вопрос. Что такое свет — волна или частица?
Такой вот ретро-троллинг. По крайней мере, задававшие вопрос так считали. Они не знали правильного ответа, да он их и не интересовал обычно. Их интересовало то, как ученые будут выкручиваться.
Ученые тоже не знали единственно верного ответа. Даже для таких серьезных людей вопрос был непростым. Он занимал умы лучших физиков в течение нескольких столетий, начиная с Декарта, Гука и Гюйгенса в XVII веке, заканчивая Альбертом Эйншейном и Максом Планком в XIX-XX веках. Привело все это к принципу неопределенности Гейзенберга и теории де Бройля — Бома. Как писал Эйнштейн в 1938 году: «Но что такое свет в действительности? Волна или ливень фотонов? По-видимому, нет никаких шансов последовательно описать световые явления, выбрав только какую-либо одну из двух возможных теорий. Положение таково, что мы должны применять иногда одну теорию, а иногда другую, а время от времени и ту и другую. Мы встретились с трудностью нового рода. Налицо две противоречивые картины реальности, но ни одна из них в отдельности не объясняет всех световых явлений, а совместно они их объясняют!»
Так что ученые обычно отвечали: «Да». Или: «И то и другое». Или, если их совсем уж доставали: «Да какая нахрен разница?!» И все эти ответы были правильными.
Рассматривая различные варианты применения света, иногда более продуктивным будет считать его состоящим из частиц — фотонов. Иначе как бы лазер смог разрезать металл или стекло? В других случаях свет лучше рассматривать как волну. Возможность измерения длин волн электромагнитного излучения (в том числе и света) подарила человечеству радио, телевидение, рентгеновские аппараты, приборы ночного видения — и это лишь малая часть. Если б свет не был волной, то как бы он раскладывался в спектр при преломлении, образуя , или фокусировался с помощью линзы?
Большой фотонный коллайдер
Стоп. Какой-такой фотонный? Все же знают, что он адронный !
Ну хорошо, Большой адронный коллайдер. Но появился он в этой статье все равно не случайно. Раз вы меня поправили, то наверняка знаете, что БАК сталкивает между собой летящие со огромной скоростью части ядер атомов — протоны, а совсем не фотоны — частицы света. По крайней мере, в экспериментах с CMS. CMS — это вовсе не то, что вы подумали, а Компактный мюонный соленоид — универсальный детектор элементарных частиц, с помощью которого как раз и наблюдают столкновения протонов. Но что интересно, столкновения фотонов на нем тоже наблюдают. Косвенно и в намного меньших масштабах, чем у протонов, но наблюдают. Даже планируется постройка и установка двух новых специальных сенсоров для этой цели.
Протоны, вы что, не видите — у меня обед!
Когда протоны летят с огромной скоростью по трубе ускорителя, они испускают фотоны. Эти фотоны не начинают жить самостоятельной жизнью, а продолжают следовать за своими родителями. И когда два пучка протонов направляют для столкновения в специальную камеру, некоторые фотоны также сталкиваются друг с другом. Это видно по реакции породивших их протонов — они продолжают лететь с прежней скоростью, но их траектория немного меняется.
Таким образом, фотоны, «кванты света», являются частицами или во всяком случае ведут себя как частицы. Если бы это было не так, мы бы не смогли наблюдать результаты их столкновений. Так БАК стал еще и БФК.
Но куда делись волны?
Теперь, когда мы увидели, что фотоны, кванты света, являются частицами, значит ли это, что они и есть свет? То есть свет — это просто куча частиц? Типа невообразимо мелких пылинок, которые заполняют всю вселенную, ну или не всю, а куда смогли добраться.
Но мы знаем, что является также и волной, так как подвержен рефракции (или преломлению), являющейся свойством волны. Он, как и всякая волна, имеет длину — расстояние между гребнями (или впадинами), которое может быть измерено. По значениям длин волн мы выделяем разные цвета света, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение, радиоволны — весь диапазон электромагнитного излучения. Все это распространяется посредством фотонов, но также является волнами.
Раздвоение личности фотона
Ученые даже придумали специальный термин для объяснения возмутительного поведения фотонов: «корпускулярно-волновой дуализм». Это означает, что любая элементарная частица или квантовый объект имеют все признаки как волн, так и частиц. Причем не только фотоны, заметьте, а любая частица.
У фотона есть и другие занятные особенности. Например, он не имеет массы и способен существовать, только двигаясь со скоростью света. Но об этом, пожалуй, как-нибудь в другой раз.
И, наконец, правильный ответ!
Что такое свет? Волна и частица. Сразу. Одновременно.
Бывает, свет ведет себя так, как должна вести себя частица. А бывает — волна-волной, не отличишь. А иногда он проявляет себя и так и этак — одновременно. Потому что он и то и другое.
Человек наделен пятью органами чувств: зрением, слухом, обонянием, осязанием и вкусом. С помощью этих чувств мы получаем информацию об окружающем нас мире. Роль каждого из них в объеме получаемой нами информации существенно различается: около 80 % всей воспринимаемой человеком информации приходится на долю только одного чувства - зрения. Поэтому с полным основанием мы можем назвать зрение основным чувством, с помощью которого мы познаем мир, его красоту, богатство форм, красок, содержания.
Но для работы нашего органа зрения - глаза - необходимо наличие еще одного важнейшего фактора - света. Зрение и свет связаны самым непосредственным образом: если человеку завязать глаза (как бы выключить их) в светлом месте или ввести его с открытыми глазами в помещение без какого-либо света, то эффект будет одинаков - человек теряет ориентировку, и на помощь ему приходят другие чувства (слух, обоняние, осязание).
Так что же такое свет?
По современным научным представлениям свет - это электромагнитное излучение с определенными параметрами. Электромагнитных излучений как природного, так и искусственного происхождения существует множество: это и радиотелевизионные сигналы, рентгеновские и космические лучи, и свет, и многое другое. Общим для всех видов электромагнитных излучений является скорость их распространения в вакууме, равная 300 000 000 метров в секунду.
Электромагнитные излучения характеризуются частотой колебаний, показывающей число полных циклов колебаний в секунду, или длиной волны, то есть расстоянием, на которое распространяется излучение за время одного колебания (как говорят, за «один период колебаний»). Частота колебаний (обычно обозначается буквой f), длина волны (обозначается λ) и скорость распространения излучений (обозначается с) связаны простым соотношением:
Если в радиотехнике обычно пользуются понятием «частота », то в светотехнике и в оптике принято характеризовать излучение длиной волны. Так вот, свет - это электромагнитное излучение с длинами волн от 380 до 760 миллиардных долей метра или нанометров (сокращенно нм).
Излучения с разной длиной волны воспринимаются глазом по разному: от 380 до 450 нм - как фиолетовый цвет; от 450 до 480 - как синий; от 480 до 510 - как голубой; от 510 до 550 - как зеленый; от 550 до 575 - как желто-зеленый; от 575 до 590 - как желтый; от 590 до 610 - как оранжевый; более 610 нм - как красный цвет. Границы цветов приблизительны и у разных людей могут несколько различаться.
Белый цвет - это совокупность всех или нескольких цветов, взятых в определенной пропорции. Если луч белого света пропустить через стеклянную призму, то он разложится на цветные составляющие. Совокупность цветных составляющих сложного излучения называется спектром излучения (рис. 1).
Рис. 1. Спектр оптического излучения
Чувствительность глаза к излучению разных цветов неодинакова - если на глаз попадает цветной свет с одинаковой мощностью электромагнитного излучения, то желтые и зеленые цвета будут казаться гораздо более светлыми, чем синие и красные. Международный комитет мер и весов в 1933 году принял единую стандартную чувствительность глаза к излучению разных цветов для дневного зрения. На рис. 2 показана стандартизованная кривая спектральной чувствительности глаза, называемая в светотехнической литературе также «кривой относительной спектральной световой эффективности излучения». На основе кривой спектральной чувствительности глаза для дневного зрения построена вся система световых величин и единиц. Максимум кривой спектральной чувствительности глаза лежит в желто-зеленой области спектра и приходится на длину волны 555 нм.
Рис. 2. Кривая спектральной чувствительности глаза
Если света мало, то кривая спектральной чувствительности смещается в сторону коротких длин волн, то есть в сторону синих цветов. Каждый человек по собственному опыту знает, что ночью голубые и синие цвета кажутся значительно светлее, а красные становятся черными. «Ночная» кривая чувствительности глаза также стандартизована международными организациями в 1951 году.
Излучения с длинами волн короче 380 и длиннее 760 нм глазом не воспринимаются. Коротковолновое излучение, называемое ультрафиолетовым, оказывает сильное биологическое действие - образует загар на коже человека, убивает микробы, а также вызывает различные фотохимические реакции (превращает обычный кислород воздуха в озон, приводит к выцветанию красок и т.п.). С помощью специальных веществ - люминофоров - ультрафиолетовое излучение может быть превращено в видимый свет.
Длинноволновое излучение, называемое инфракрасным, воспринимается кожей человека как тепло. Это излучение используется для сушки лакокрасочных покрытий, нагревания предметов, в медицинских целях, в устройствах дистанционного управления радиоаппаратурой и т.п.
В совокупности видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения образуют оптический диапазон спектра электромагнитных колебаний или оптическое излучение.
Общие определения
С точки зрения оптики, свет - это электромагнитное излучение, которое воспринимается глазом человека. За единицу изменения принято брать участок в вакууме 750 ТГц. Это коротковолновая граница спектра. Ее длина равна 400 нм. Что касается границы широких волн, то за единицу измерения берется участок в 760 нм, то есть 390 ТГц.
В физике свет рассматривается как совокупность направленных частиц, называемых фотонами. Скорость распределения волн в вакууме постоянна. Фотоны обладают определенным импульсом, энергией, нулевой массой. В более широком смысле слова, свет - это видимое Также волны могут быть и инфракрасными.
С точки зрения онтологии, свет - это начало бытия. Об этом твердят и философы, и религиоведы. В географии этим термином принято называть отдельные области планеты. Сам по себе свет - это понятие социальное. Тем не менее в науке оно имеет конкретные свойства, черты и законы.
Природа и источники света
Электромагнитное излучение создается в процессе взаимодействия заряженных частиц. Оптимальным условием для этого будет тепло, которое имеет непрерывный спектр. Максимум излучения зависит от температуры источника. Отличным примером процесса является Солнце. Его излучение близко к аналогичным показателям абсолютно черного тела. Природа света на Солнце обуславливается температурой нагревания до 6000 К. При этом около 40% излучения находится в пределах видимости. Максимум спектра по мощности располагается вблизи 550 нм.
Источниками света также могут быть:
- Электронные оболочки молекул и атомов во время перехода с одного уровня на другой. Такие процессы позволяют достичь линейный спектр. Примером могут служить светодиоды и газоразрядные лампы.
- которое образуется при движении заряженных частиц с фазовой скоростью света.
- Процессы торможения фотонов. В результате образуется синхро- или циклотронное излучение.
Природа света может быть связана и с люминесценцией. Это касается и искусственных источников, и органических. Пример: хемилюминесценция, сцинтилляция, фосфоресценция и др.
В свою очередь, источники света разделяются на группы относительно температурных показателей: А, В, С, D65. Самый сложный спектр наблюдается у абсолютно черного тела.
Характеристики света
Человеческий глаз субъективно воспринимает электромагнитное излучение как цвет. Так, свет может отдавать белыми, желтыми, красными, зелеными переливами. Это лишь зрительное ощущение, которое связано с частотой излучения, будь оно по составу спектральным или монохроматическим. Доказано, что фотоны способны распространяться даже в вакууме. При отсутствии вещества скорость потока равняется 300.000 км/с. Это открытие было сделано еще в начале 1970-х годов.
На границе сред поток света испытывает либо отражение, либо преломление. Во время распространения он рассеивается через вещество. Можно сказать, что оптические показатели среды характеризуются значением преломления, равным отношению скоростей в вакууме и поглощения. В изотропных веществам распространение потока не зависит от направления. Здесь представлен скалярной величиной, определяющейся координатами и временем. В анизотропной среде фотоны проявляется в виде тензора.
Кроме того, свет бывает поляризованным и нет. В первом случае главной величиной определения будет вектор волны. Если же поток не поляризован, то он состоит из набора частиц, направленных в случайные стороны.
Важнейшей характеристикой света является и его интенсивность. Она определяется такими фотометрическими величинами, как мощность и энергия.
Основные свойства света
Фотоны могут не только взаимодействовать между собой, но и иметь направление. В результате соприкосновения с посторонней средой поток испытывает отражение и преломление. Это два основополагающих свойства света. С отражением все более-менее ясно: оно зависит от плотности материи и угла падения лучей. Однако с преломлением дело обстоит куда сложнее.
Для начала можно рассмотреть простой пример: если опустить соломинку в воду, то со стороны она покажется изогнутой и укороченной. Это и есть преломление света, которое наступает на границе жидкой среды и воздуха. Этот процесс определяется направлением распределения лучей во время прохождения через границу материи.
Когда поток света касается границы между средами, длина его волны существенно изменяется. Тем не менее частота распространения остается прежней. Если луч не ортогональный по отношению к границе, то изменению подвергнется и длина волны, и ее направление.
Искусственное часто используется в исследовательских целях (микроскопы, линзы, лупы). Также к таковым источникам изменения характеристик волны относятся очки.
Классификация света
В настоящее время различают искусственный и естественный свет. Каждый из этих видов определяется характерным источником излучения.
Естественный свет представляет собой набор заряженных частиц с хаотичным и быстро изменяющимся направлением. Такое электромагнитное поле обуславливается переменным колебанием напряженностей. К естественным источникам относятся раскаленные тела, солнце, поляризованные газы.
Искусственный свет бывает следующих видов:
- Местный. Его используют на рабочем месте, на участке кухни, стены и т.д. Такое освещение играет важную роль в дизайне интерьера.
- Общий. Это равномерное освещение всей площади. Источниками являются люстры, торшеры.
- Комбинированный. Смесь первого и второго видов для достижения идеальной освещенности помещения.
- Аварийный. Он крайне полезен при отключениях света. Питание производится чаще всего от аккумуляторов.
Солнечный свет
На сегодняшний день это главный источник энергии на Земле. Не будет преувеличением сказать, что солнечный свет воздействует на все важные материи. Это количественная постоянная, которая определяет энергию.
В верхних слоях земной атмосферы содержится около 50% излучения инфракрасного и 10% ультрафиолетового. Поэтому количественная составляющая видимого света равна всего 40%.
Солнечная энергия используется в синтетических и природных процессах. Это и фотосинтез, и преобразование химических форм, и отопление, и многое другое. Благодаря солнцу человечество может пользоваться электроэнергией. В свою очередь, потоки света могут быть прямыми и рассеянными, если они проходят через облака.
Три главных закона
С древних времен ученые занимались изучением геометрической оптики. На сегодняшний день основополагающими являются следующие законы света:
Восприятие света
Окружающий мир человеку виден благодаря способности его глаз взаимодействовать с электромагнитным излучением. Свет воспринимается рецепторами сетчатки, которые могут уловить и отреагировать на спектральный диапазон заряженных частиц.
У человека есть 2 типа чувствительных клеток глаза: колбочки и палочки. Первые обуславливают механизм зрения в дневное время при высоком уровне освещения. Палочки же являются более чувствительными к излучению. Они позволяют человеку видеть в ночное время.
Зрительные оттенки света обуславливаются длиной волны и ее направленностью.
Первые научные гипотезы о природе света были высказаны в 17 веке. К этому времени были обнаружены два замечательных свойства света – прямолинейность распространения в однородной среде и независимость распространения световых пучков, т.е. отсутствие влияния одного пучка света на распространение другого светового пучка.
И. Ньютон в 1672 г. высказал предположение о корпускулярной природе света. Против корпускулярной теории света выступали современники Ньютона – Р. Гук и Х. Гюйгенс, разработавшие волновую теорию света.
Скорость света. Первым большим успехом в изучении природы света было измерение скорости света.
Самый простой способ измерения скорости света заключается в измерении времени распространения светового сигнала на известное расстояние.
Однако попытки осуществления такого рода опытов оканчивались неудачей, никакого запаздывания света даже при расстоянии до зеркала в несколько километров обнаружить не удалось.
Впервые экспериментально скорость света была определена астрономическим методом. Датским ученым Олафом Ремером (1644-1710) в 1676г. он обнаружил, что при изменении расстояния между Землёй и планетой Юпитер вследствие их обращения вокруг Солнца происходит изменение периодичности появления спутника Юпитера Ио его тени. В том случае, когда Земля находится по другую сторону от Солнца по отношению к Юпитеру, спутник Ио появляется из-за Юпитера на 22минуты позже, чем это должно произойти по расчетам. Но спутники обращаются вокруг планет равномерно, - следовательно, это запаздывание кажущееся. Ремер догадался, что причиной запаздывания появления спутника Юпитера при увеличении расстояния между Землёй и Юпитером является конечность скорости света. Таким образом, он смог определить скорость света.
Определение света
Свет – это электромагнитное излучение, невидимое для глаза. Свет становится видимым при столкновении с поверхностью. Цвета образуются из волн разной длины. Все цвета вместе образуют белый свет. При преломлении светового луча в призме или капле воды весь спектр цветов становится видимым, например, радуга. Глаз воспринимает диапазон видимого света, 380 - 780 нм, за пределами которого находятся ультрафиолетовый (УФ) и инфракрасный (ИК) свет.
Возникновение теории о свете
В XVII веке возникло две теории света волновая и корпускулярная. Корпускулярную теорию предложил Ньютон, а волновую Гюйгенс. Согласно представлениям Гюйгенса свет волны, распространяющиеся в особой среде эфире, заполняющем все пространство. Две теории длительное время существовали параллельно. Если по одной из теорий нельзя было объяснить какое либо явление, то по другой это явление можно было объяснить. Именно по этому эти две теории так долго существовали параллельно друг другу.
Например: прямолинейное распространение света, приводящее к образованию резких теней нельзя было объяснить исходя из волновой теории. Однако в начале XIX века были открыты такие явления как дифракция и интерференция, что дало повод для мыслей, что волновая теория окончательно победила корпускулярную. Во второй половине XIX века Максвелл показал, что свет частный случай электромагнитных волн. Эти работы послужили фундаментом для электромагнитной теории света. Однако в начале XX века было обнаружено, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.
Корпускулярная теория
Эмиссионная (корпускулярная): свет состоит из мелких частиц (корпускул), излучаемых светящимся телом. В пользу этого мнения говорила прямолинейность распространения света, на которой основана геометрическая оптика, однако дифракция и интерференция плохо укладывались в эту теорию. От сюда происходит волновая теория.
Волновая теория
Волновая: свет представляет собой волну в невидимом мировом эфире. Оппонентов Ньютона (Гука, Гюйгенса) нередко называют сторонниками волновой теории, однако надо иметь в виду, что под волной они понимали не периодическое колебание, как в современной теории, а одиночный импульс; по этой причине их объяснения световых явлений были мало правдоподобны и не могли составить конкуренцию ньютоновским (Гюйгенс даже пытался опровергнуть дифракцию). Развитая волновая оптика появилась только в начале XIX века.
Ньютона часто считают сторонником корпускулярной теории света; на самом деле он, по своему обыкновению, «гипотез не измышлял» и охотно допускал, что свет может быть связан и с волнами в эфире. В трактате, представленном в Королевское общество в 1675 году, он пишет, что свет не может быть просто колебаниями эфира, так как тогда он, например, мог бы распространяться по изогнутой трубе, как это делает звук. Но, с другой стороны, он предлагает считать, что распространение света возбуждает колебания в эфире, что и порождает дифракцию и другие волновые эффекты. По существу, Ньютон, ясно сознавая достоинства и недостатки обоих подходов, выдвигает компромиссную, корпускулярно-волновую теорию света. В своих работах Ньютон детально описал математическую модель световых явлений, оставляя в стороне вопрос о физическом носителе света: «Учение моё о преломлении света и цветах состоит единственно в установлении некоторых свойств света без всяких гипотез о его происхождении». Волновая оптика, когда она появилась, не отвергла модели Ньютона, а вобрала их в себя и расширила на новой основе.
Несмотря на свою нелюбовь к гипотезам, Ньютон поместил в конце «Оптики» список нерешённых проблем и возможных ответов на них. Впрочем, в эти годы он уже мог себе такое позволить – авторитет Ньютона после «Начал» стал непререкаемым, и докучать ему возражениями уже мало кто решался. Ряд гипотез оказались пророческими. В частности, Ньютон предсказал:
отклонение света в поле тяготения;
явление поляризации света;
взаимопревращение света и вещества.
