Изучаем свет. Что такое свет

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.

Вечером ты повернул выключатель, и комната наполнилась светом. Опять повернул выключатель - стало темно. Куда же девался свет, наполнявший комнату?

Ты всегда можешь показать, где находится источник света, потому что свет от него идёт к тебе по прямой линии. Именно потому, что свет распространяется прямолинейно, всякий предмет, освещённый только с одной стороны, отбрасывает в другую сторону тень. Если бы свет мог обогнуть этот предмет, тень не получилась бы.

Когда свет встречает препятствие, хотя бы часть света отражается, попадает к нам в глаза, и мы видим предметы, которые сами не излучают света. Особенно хорошо отражает лучи гладкая поверхность, например водная гладь или изготовленное людьми зеркало.

Когда свет падает на поверхность воды, он не только отражается. Часть света проходит в воду, освещает дно и рыб, поэтому мы их видим. При этом световые лучи немного меняют своё направление, преломляются. Отражённые дном лучи, выходя из воды в воздух, тоже меняют своё направление. Поэтому ручей всегда кажется менее глубоким, а рыбы - ближе к поверхности.

Прямолинейное распространение, отражение и преломление - основные свойства света. Но они не полностью объясняют, что такое свет.

Первым, кто попытался разгадать природу света, был великий английский учёный . Он предположил, что луч света - это поток мельчайших частиц- корпускул. Однако уже в то время другой учёный - голландец Гюйгенс считал, что свет - это своеобразные , чем-то похожие на волны звука в воздухе. Но поскольку воздуха в космосе нет, последователям Гюйгенса пришлось предположить, что всё космическое пространство заполнено каким-то особым веществом - эфиром.

Корпускулярная теория Ньютона и волновая теория, начало которой положил Гюйгенс, два столетия спорили между собой.

В середине 19 в. удалось более или менее точно измерить скорость распространения света, хотя и до наших дней её величина уточняется. В пустоте скорость света - около 300 тысяч километров в секунду- самая большая из всех возможных скоростей в природе. В воздухе она почти такая же, а в воде - 3/4 скорости света в воздухе.

Всё, что было известно к этому времени о свете, как будто подтверждало правильность волновой природы света. Однако эта теория не могла существовать без выдуманного эфира. И когда точно определили, что никакого мирового эфира не существует, появилась другая теория света.

Английский учёный прошлого века Максвелл установил, что свет - это не волны, подобные звуковым, а особые, электромагнитные, способные распространяться и в полной пустоте, такие же, как волны .

Ещё лучше познали люди природу света в нашем веке в связи с успехами в изучении атома. Оказалось, что , протон, нейтрон обладают не только свойствами частиц, «кусочков» вещества, но и свойствами волн. Точно так же и свет - это не только волны, но в то же время и частицы, которые назвали фотонами. Таким образом, две враждовавшие некогда теории - корпускулярная и волновая- как бы объединились.

Когда какое-либо тело светится, это означает, что в нём рождаются фотоны. Они рождаются, когда атомные частицы сталкиваются или изменяют путь своего движения. От того, какая это частица и как изменился её путь, зависит длина волны излучения, цвет луча. Поэтому свет, его , может рассказать о веществе, которое испускает лучи. Многие наши знания о звёздах и других небесных телах получены при изучении их света, дошедшего до Земли.

Когда свет падает на какое-либо тело, он не только отражается и преломляется, но и поглощается. Это означает, что фотоны исчезают. При этом они вызывают движение атомных частиц в поглотившем их теле. Получая энергию фотонов, предмет нагревается, от одних лучей сильнее, от других почти незаметно. Таким образом, свет всё время излучается и всё время поглощается. Он не знает покоя, всегда мчится с невообразимой скоростью и переносит от вещества к веществу.

Вот теперь мы можем ответить на вопрос, с которого начали этот рассказ: куда девается свет, «наполнявший» комнату? Когда ты только зажёг лампу, комната мгновенно осветилась: скорость света слишком велика, чтобы мы могли заметить, как свет идёт от лампы к стенам. И всё время, пока лампа горела, испускаемый ею свет за ничтожный миг покрывал расстояние до стен, потолка, мебели и поглощался ими. А когда лампа погасла, последние «порции» света также мгновенно пролетели свой путь и исчезли в веществе окружающих тебя предметов.

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.

Когда-то в древности люди считали, что наша способность видеть обусловлена некими лучами, исходящими из глаз и как-бы «ощупывающими» поверхность предметов. Каким бы смешным сегодня не казалось подобное представление, задумайтесь - а вы знаете, что такое свет? Откуда он берется? Как мы воспринимаем его, и почему разные предметы имеют разный цвет?

Включите лампочку и поднесите к ней руку. Вы ощутите исходящее от лампочки тепло. Соответственно, свет - это излучение. Всякое излучение переносит энергию, однако далеко не всякое излучение мы можем воспринимать зрительно. Сделаем вывод, что свет - это видимое излучение.

Свойства света

Опытным путем установлено, что свет имеет электромагнитную природу, поэтому можно дополнить наше определение следующим образом: свет - это видимое электромагнитное излучение.

Свет может проходить сквозь прозрачные тела и вещества. Поэтому свет солнца проникает к нам через атмосферу, хотя при этом свет преломляется . А встречаясь с непрозрачными предметами, свет отражается от них, и мы можем воспринимать этот отраженный свет глазом, и таким образом видим.

Часть света при этом впитывается предметами, и они нагреваются. Темные предметы нагреваются сильнее светлых, соответственно, большая часть света впитывается ими, а отражается меньшая. Поэтому эти предметы выглядят для нас темными.

Больше всего света впитывают предметы черного цвета. Именно поэтому летом в жару не стоит одевать черные вещи, потому что можно получить тепловой удар. По этой же причине летом мамы обязательно надевают детям светлые головные уборы, которые нагреваются значительно меньше, чем волосы, имеющие более темный цвет.

Источники света

Тела, от которых свет исходит, называются источниками света. Различают естественные и искусственные источники света. Самый известный абсолютно всем жителям нашей планеты естественный источник света - это Солнце.

Солнце - это не только источник видимого света, но и тепла, вследствие которого и возможна жизнь на Земле. Другие естественные источники света - это звезды, атмосферные явления типа молнии, живые существа, такие как светлячки, и так далее.

Благодаря человеку существуют также и искусственные источники. Раньше для людей основным источником света в темное время был огонь: свечи, факелы, газовые горелки и так далее. В наше время наиболее распространенными являются электрические источники света. Причем они подразделяются в свою очередь на тепловые (лампы накаливания) и люминесцентные (лампы дневного света, газосветовые лампы).

Распространение света

Еще одно свойство света - это прямолинейное распространение. Свет не может огибать препятствия, поэтому за непрозрачным предметом образуется тень. Тень часто является не совсем черной, потому что туда попадают различные отраженные и рассеянные лучи света от других предметов.

Без света мы не смогли бы видеть окружающий нас мир, и тем не менее нам не известно точно, что же такое свет!

Мы знаем, что свет — это одна из форм энергии. Можно измерить его скорость и мы знаем его характеристики. Нам также известно, что белый цвет — это не отдельный цвет, это соединение всех цветов. Это называется «спектр».

Мы знаем, что цвет — это не сам объект, а лучи света, которые от него исходят. Зеленая бумага выглядит зеленой, потому что она поглощает все другие цвета, кроме зеленого, который и воспринимает наш глаз. Синее стекло пропускает только синий цвет, все остальные поглощаются им.

Солнечный свет — это энергия. Тепло солнечных лучей, сфокусированных линзой, превращается в огонь. Свет и тепло отражаются белыми поверхностями и поглощаются черными. Вот почему белая одежда холоднее черной.

Какова же природа света? Первым, кто попытался серьезно заняться изучением света, был Исаак Ньютон. Он считал, что свет состоит из корпускул, которые наподобие пуль выстреливаются источником света. Но некоторые характеристики света не могли быть объяснимы этой теорией.

Другой ученый, Гюйгенс, предложил другое объяснение природы света. Он разработал «волновую» теорию света. Он считал, что свет образует импульсы, или волны, наподобие того, как камень, брошенный в пруд, создает волны.

Почти 150 лет ученые спорили, является ли свет волнами или корпускулами. Большинство ученых приняло волновую теорию. Но затем последовал новые открытия, которые поставили под сомнение эту теорию.

Нам известно, что свет — одна из форм существования энергии. Подобно тому, как это имеет место с некоторыми другими формами энергии — теплом, радиоволнами, рентгеновскими лучами,—можно измерить его скорость, частоту и длину волны. Во многих других отношениях он ведет себя так же, как и эти формы энергии.

Мы знаем скорость света, она составляет примерно 300 000 километров в секунду. Таким образом, за год лучи света (в вакууме) проходят около 9 461 000 000 000 километров. Такое расстояние астрономы называют световым годом, и оно является главной единицей измерения бескрайних просторов космоса.

Было создано множество теорий, пытающихся объяснить, что такое свет и как он существует. В XVII веке знаменитый английский ученый Исаак Ньютон сделал предположение, что свет состоит из маленьких частичек — «корпускул», нечто вроде крошечных пуль, вылетающих из источника света, как из дула автомата. Однако его «корпускулярная» теория света оказалась неспособной объяснить некоторые особенности его поведения.

Примерно в это же самое время другой ученый — Христиан Гюйгенс — развил волновую теорию света. Его идея заключалась в том, что отражающее излучающее свет тело создает вокруг себя колебания или волны, похожие на круги волн, расходящиеся по спокойной поверхности пруда, если в него уронить камень.

Споры между сторонниками этих двух теорий не замолкали на протяжении двух веков. По мере того, как становились известны определенные особенности света, идея корпускулярной природы света казалось начала отмирать.

Однако развитие науки продолжалось, и, в конце концов, ученые пришли к выводу, что природа света может быть объяснена только объединением двух теорий. Экспериментальные исследования показали, что каждая из них может быть справедлива. Начало объединенной теории положил французский физик Луи де Бройль, который ввел понятие волна-частица. Таким образом, точного и однозначного ответа на вопрос, что такое свет, просто не существует.