Alates sellest, kui Demokritos – Kreeka filosoof, kes elas 5.–4. sajandil e.m.a – väitis, et kogu eksistents koosneb pisikestest jagamatutest aatomitest, on teadlased spekuleerinud valguse tõelise olemuse üle. Kui teadlased seiklesid edasi-tagasi arusaamade vahel, et valgus on osake või laine kuni tänapäevani, siis 20. sajand tõi kaasa läbimurde, mis näitas meile, et valgus käitub mõlemana.
Nende hulka kuulusid elektroni avastamine, kvantteooria väljatöötamine ja Einsteini oma Relatiivsusteooria . Siiski on valguse kohta palju vastuseta küsimusi, millest paljud tulenevad selle kahetisest olemusest. Näiteks kuidas on võimalik, et valgus võib näiliselt ilma massita olla, kuid käituda siiski osakesena? Ja kuidas saab see käituda nagu laine ja läbida vaakumit, kui kõik muud lained vajavad levimiseks keskkonda?
Valguse teooria kuni 19. sajandini:
Teadusrevolutsiooni ajal hakkasid teadlased eemalduma aristotelese teadusteooriatest, mida oli sajandeid peetud aktsepteeritud kaanoniks. See hõlmas Aristotelese valgusteooria tagasilükkamist, mis käsitles seda õhus häirivana (üks tema neljast ainest moodustavast 'elemendist') ja mehhaanilisema vaate omaksvõtmist, et valgus koosneb jagamatutest aatomitest.
Seda teooriat olid mitmel viisil eelvaate saanud klassikalise antiigi atomistid – nagu Demokritos ja Lucretius –, kes mõlemad vaatlesid valgust päikese poolt eraldatud aineühikuna. 17. sajandiks tekkis mitu teadlast, kes nõustusid selle seisukohaga, väites, et valgus koosneb diskreetsetest osakestest (või 'kehadest'). Nende hulka kuulus Pierre Gassendi, René Descartes'i, Thomas Hobbesi, Robert Boyle'i kaasaegne ja kõige kuulsam, Sir Isaac Newton .
Newtoni optika esimene väljaanne: ehk traktaat valguse peegeldustest, murdumisest, paindumisest ja värvidest (1704). Krediit: avalik domeen.
Newtoni korpuskulaarteooria oli tema nägemuse reaalsusest kui materiaalsete punktide vastastikusest mõjust jõudude vahendusel. See teooria jääb aktsepteeritud teaduslikuks vaateks enam kui 100 aastaks, mille põhimõtteid selgitas tema 1704. aasta traktaat. Optika ehk traktaat valguse peegeldustest, murdumistest, käänetest ja värvidest “. Newtoni järgi võiks valguse põhimõtted kokku võtta järgmiselt:
- Iga valgusallikas kiirgab allikat ümbritsevas keskkonnas suurel hulgal väikeseid osakesi, mida nimetatakse kehakeseks.
- Need kehakesed on täiesti elastsed, jäigad ja kaalutud.
See kujutas endast väljakutset 'laineteooriale', mida propageeris 17. sajandi Hollandi astronoom. Christiaan Huygens . . Need teooriad edastati esmakordselt 1678. aastal Pariisi Teaduste Akadeemiale ja avaldati 1690. aastal tema ajakirjas.' Traktaat valgusest '('Traktaat valgusest“). Selles väitis ta Descartes'i vaadete muudetud versiooni, milles valguse kiirus on lõpmatu ja levib mööda lainefrondit kiirgavate sfääriliste lainete abil.
Topeltpiluga katse:
19. sajandi alguseks hakkasid teadlased korpuskulaarteooriast lahku lööma. See oli osaliselt tingitud asjaolust, et korpuskulaarteooria ei suutnud adekvaatselt selgitada valguse difraktsiooni, interferentsi ja polarisatsiooni, kuid ka erinevate katsete tõttu, mis näisid kinnitavat endiselt konkureerivat seisukohta, et valgus käitus lainetuna.
Kõige kuulsam neist oli vaieldamatult Topeltpiluga katse , mille algselt juhtis 1801. aastal inglise polümaat Thomas Young (kuigi arvatakse, et Sir Isaac Newton on omal ajal midagi sarnast juhatanud). Youngi katse versioonis kasutas ta paberit, millesse oli lõigatud pilud, ja suunas seejärel valgusallika neile, et mõõta valguse läbimist.
Klassikalise (s.o. Newtoni) osakeste teooria järgi pidid katse tulemused vastama piludele, löögid ekraanile paistma kahe vertikaalse joonena. Selle asemel näitasid tulemused, et koherentsed valguskiired segasid, luues ekraanile heledate ja tumedate ribade mustri. See oli vastuolus klassikalise osakeste teooriaga, mille kohaselt osakesed ei sega üksteist, vaid lihtsalt põrkuvad.
Selle interferentsi mustri ainus võimalik seletus oli see, et valguskiired käitusid tegelikult lainetena. Seega lükkas see katse ümber arusaama, et valgus koosneb osakestest ja etendas üliolulist rolli valguse laineteooria aktsepteerimisel. Hilisemad uuringud, mis hõlmavad elektronide ja elektromagnetilise kiirguse avastamist, viivad aga teadlasteni taas arutleda, et valgus käitus ka osakesena, tekitades seega laine-osakeste duaalsuse teooria.
Elektromagnetism ja erirelatiivsusteooria:
Enne 19. ja 20. sajandit oli valguse kiirus juba kindlaks määratud. Esimesed registreeritud mõõtmised viis läbi Taani astronoom Ole Rømer, kes demonstreeris 1676. aastal Jupiteri kuu Io valgusmõõtmiste abil, et valgus liigub piiratud kiirusega (mitte hetkeliselt).
Prof Albert Einstein peab 11. Josiah Willard Gibbsi loengut Ameerika Teaduse Edendamise Ühingu koosolekul 28. detsembril 1934. Autor: AP Photo
19. sajandi lõpuks tegi James Clerk Maxwell ettepaneku, et valgus on elektromagnetlaine, ja töötas välja mitu võrrandit (tuntud kui Maxwelli võrrandid ) kirjeldamaks, kuidas elektri- ja magnetvälju teineteise ning laengute ja voolude toimel genereeritakse ja muudetakse. Erinevat tüüpi kiirguse (magnetväljad, ultraviolett- ja infrapunakiirgus) mõõtmisi tehes suutis ta arvutada valguse kiiruse vaakumis (esindatud kuic).
Aastal 1905 Albert Einstein avaldatud 'Liikuvate kehade elektrodünaamikast”, milles ta arendas üht oma kuulsaimat teooriat ning lükkas ümber sajandeid omaks võetud arusaamad ja õigeusklikud. Oma töös postuleeris ta, et valguse kiirus oli kõigis inertsiaalsetes võrdluskaadrites sama, olenemata valgusallika liikumisest või vaatleja asukohast.
Selle teooria tagajärgede uurimine ajendas teda oma teooria välja pakkuma Erirelatiivsusteooria , mis sobitas Maxwelli võrrandid elektri ja magnetismi kohta mehaanika seadustega, lihtsustas matemaatilisi arvutusi ning järgis otseselt vaadeldavat valguse kiirust ja arvestas täheldatud aberratsioone. Samuti näitas see, et valguse kiirusel oli tähtsus väljaspool valguse ja elektromagnetismi konteksti.
Esiteks tutvustas see ideed, et suured muutused toimuvad siis, kui asjad liiguvad valguse kiiruse lähedal, sealhulgas liikuva keha aegruumi raamistik, mis näib vaatleja kaadris mõõdetuna liikumissuunas aeglustumist ja kokkutõmbumist. Pärast sajandeid kestnud üha täpsemaid mõõtmisi määrati 1975. aastal valguse kiiruseks 299 792 458 m/s.
Einstein ja Footon:
1905. aastal aitas Einstein lahendada ka suurt segadust elektromagnetkiirguse käitumisega, kui ta tegi ettepaneku, et aatomitest kiirguvad elektronid, kui nad neelavad valgusest energiat. Tuntud kui fotoelektriline efekt , rajas Einstein oma idee Plancki varasemale tööle 'mustade kehadega' – materjalidega, mis neelavad elektromagnetenergiat, mitte ei peegelda seda (st valged kehad).
Tol ajal püüdis Einsteini fotoelektriline efekt selgitada 'musta keha probleemi', mille puhul must keha kiirgab objekti kuumuse tõttu elektromagnetilist kiirgust. See oli füüsikamaailmas püsiv probleem, mis tulenes elektroni avastamisest, mis juhtus vaid kaheksa aastat tagasi (tänu Briti füüsikutele eesotsas J.J. Thompson ja katsed katoodkiiretorudega ).
Sel ajal uskusid teadlased veel, et elektromagnetiline energia käitub nagu laine, ja lootsid seetõttu, et suudavad seda seletada klassikalise füüsikaga. Einsteini selgitus kujutas endast katkemist sellega, kinnitades, et elektromagnetkiirgus käitus viisil, mis oli kooskõlas osakesega - valguse kvantiseeritud vormiga, mida ta nimetas 'footoniteks'. Selle avastuse eest pälvis Einstein 1921. aastal Nobeli preemia.
Laine-osakeste duaalsus:
Hilisemad valguse käitumise teooriad täpsustaksid seda ideed veelgi, sealhulgas prantsuse füüsik Louis-Victor de Broglie, kes arvutas välja valguse toimimise lainepikkuse. Sellele järgnes Heisenbergi 'määramatuse printsiip' (mis väitis, et footoni asukoha täpne mõõtmine häirib selle impulsi mõõtmist ja vastupidi) ja Schrödingeri paradoks, mis väitis, et kõigil osakestel on 'lainefunktsioon'.
Kvantmehaanilise seletuse kohaselt tegi Schrodinger ettepaneku, et kogu teave osakese (antud juhul footoni) kohta kodeeritakse selle osakesesse.lainefunktsioon, kompleksväärtusega funktsioon, mis on ligikaudu analoogne laine amplituudiga igas ruumipunktis. Mõnes kohas lainefunktsiooni mõõtmine 'kokkukukkub' või pigem 'dekohereerub' järsu tipuga funktsiooniks. Seda illustreeris Schrödingeri kuulus paradoks, mis hõlmas suletud kasti, kassi ja mürgiviaali (tuntud kui ' Schrödingeri kass' paradoks).
Kunstniku mulje kahest erineval lainepikkusel liikuvast footonist, mille tulemuseks on erinevat värvi valgus. Autorid: NASA / Sonoma osariigi ülikool / Aurore Simonnet
Tema teooria kohaselt areneb lainefunktsioon ka diferentsiaalvõrrandi (teise nimega the Schrödingeri võrrand ). Massiga osakeste jaoks on sellel võrrandil lahendused; kuid massita osakeste jaoks lahendust ei eksisteerinud. Edasised katsed, mis hõlmasid Double-Slit Experimenti, kinnitasid footonite kahetist olemust. kuhu olid ühendatud mõõteseadmed, et jälgida footoneid, kui need läbisid pilusid.
Kui seda tehti, ilmusid footonid osakeste kujul ja nende löögid ekraanile vastasid piludele – tillukestele osakesesuurustele täppidele, mis jagunesid sirgete vertikaalsete joontega. Paigaldades vaatlusseadme paika, langes footonite lainefunktsioon kokku ja valgus käitus taas klassikaliste osakestena. Nagu Schrödinger ennustas, saab seda lahendada ainult väitega, et valgusel on lainefunktsioon ja et selle jälgimine põhjustab käitumisvõimaluste vahemiku kokkuvarisemist punktini, kus selle käitumine muutub ennustatavaks.
Kvantväljateooria (QFT) väljatöötamine töötati välja järgmistel aastakümnetel, et lahendada suur osa laine-osakeste duaalsuse ebaselgusest. Ja aja jooksul näidati, et see teooria kehtib ka teiste osakeste ja põhiliste vastasmõju jõudude (nt nõrkade ja tugevate tuumajõudude) puhul. Tänapäeval on footonid osa osakeste füüsika standardmudelist, kus nad on klassifitseeritud bosoniks – subatomiliste osakeste klassiks, mis on jõukandjad ja millel puudub mass.
Kuidas siis valgus liigub? Põhimõtteliselt reisides uskumatutel kiirustel (299 792 458 m/s) ja erinevatel lainepikkustel, olenevalt selle energiast. Samuti käitub see nii laine kui ka osakesena, mis on võimeline levima nii keskkonnas (näiteks õhus ja vees) kui ka ruumis. Sellel puudub mass, kuid see võib keskkonnaga kokkupuutel siiski neelduda, peegelduda või murduda. Ja lõpuks on gravitatsioon (st must auk) ainus asi, mis seda tõeliselt kõrvale juhtida või peatada.
See, mida oleme õppinud valguse ja elektromagnetismi kohta, on olnud 20. sajandi alguses füüsikas toimunud revolutsiooni olemuslik, revolutsioon, millega oleme maadelnud sellest ajast peale. Tänu selliste teadlaste nagu Maxwell, Planck, Einstein, Heisenberg ja Schrodinger pingutustele oleme palju õppinud, kuid meil on veel palju õppida.
Näiteks jääb saladuseks selle koostoime gravitatsiooniga (koos nõrkade ja tugevate tuumajõududega). Astronoomid ja füüsikud ootavad selle avamist ja seeläbi kõiketeooria (ToE) avastamist. Kunagi saame selle kõik selgeks!
Oleme siin ajakirjas Universe Today kirjutanud palju artikleid valguse kohta. Näiteks siin Kui kiire on valguse kiirus? , Kui kaugel on valgusaasta? , Mis on Einsteini relatiivsusteooria?
Kui soovite valguse kohta lisateavet, vaadake neid artikleid saidilt Füüsika hüperõpik ja NASA omad Missiooniteadus lehel.
Samuti oleme salvestanud terve Astronomy Cast'i episoodi tähtedevahelise reisimise kohta. Kuulake siin, Episood 145: Tähtedevaheline reisimine .
