Šta je svjetlost? Ovo pitanje zanimalo je čovječanstvo u svim vijekovima, ali tek u 20. vijeku naše ere bilo je moguće mnogo razjasniti o prirodi ovog fenomena. Ovaj članak će se fokusirati na korpuskularnu teoriju svjetlosti, njene prednosti i nedostatke.
Od antičkih filozofa do Christiana Huygensa i Isaaca Newtona
Neki dokazi koji su preživjeli do našeg vremena govore da su se ljudi počeli zanimati za prirodu svjetlosti u starom Egiptu i staroj Grčkoj. U početku se vjerovalo da objekti emituju slike o sebi. Potonji, ulazeći u ljudsko oko, stvaraju utisak vidljivosti objekata.
Tada se, tokom formiranja filozofske misli u Grčkoj, pojavila nova Aristotelova teorija, koji je vjerovao da svaka osoba emituje neke zrake iz očiju, zahvaljujući kojima može "osjetiti" predmete.
Srednji vek nije uneo nikakvu jasnoću u pitanje koje se razmatra, nova dostignuća došla su tek sa renesansom i revolucijom u nauci. Konkretno, u drugoj polovini 17. veka pojavile su se dve potpuno suprotne teorije, koje su nastojale daobjasni fenomene povezane sa svjetlom. Govorimo o talasnoj teoriji Kristijana Hajgensa i korpuskularnoj teoriji Isaka Njutna.
Uprkos nekim uspjesima teorije valova, ona je i dalje imala niz važnih nedostataka:
- verovao da se svetlost širi u etru, što niko nikada nije otkrio;
- poprečna priroda talasa značila je da eter mora biti čvrst medij.
Uzimajući u obzir ove nedostatke, a takođe i s obzirom na ogroman autoritet Newtona u to vrijeme, teorija čestica-telešaca prihvaćena je jednoglasno u krugu naučnika.
Suština korpuskularne teorije svjetlosti
Njutnova ideja je što jednostavnija: ako su sva tela i procesi oko nas opisani zakonima klasične mehanike, u kojoj učestvuju tela konačne mase, onda su i svetlost male čestice ili korpuskule. Kreću se u prostoru određenom brzinom, ako naiđu na prepreku, odbijaju se od nje. Ovo posljednje, na primjer, objašnjava postojanje sjene na objektu. Ove ideje o svetlosti trajale su do početka 19. veka, odnosno oko 150 godina.
Zanimljivo je napomenuti da je Lomonosov koristio Njutnovsku korpuskularnu teoriju sredinom 18. veka da objasni ponašanje gasova, što je opisano u njegovom delu "Elementi matematičke hemije". Lomonosov je smatrao da se gas sastoji od čestica čestica.
Šta je Njutnova teorija objasnila?
Ocrtane ideje o izradi svjetlaveliki korak u razumijevanju njegove prirode. Njutnova teorija korpuskula mogla je da objasni sledeće fenomene:
- Pravolinijsko širenje svjetlosti u homogenom mediju. Zaista, ako nikakve vanjske sile ne djeluju na pokretno svjetlosno tijelo, tada se njegovo stanje uspješno opisuje prvim Newtonovim zakonom klasične mehanike.
- Fenomen refleksije. Udarajući u sučelje između dva medija, korpuskula doživljava apsolutno elastičan sudar, usljed čega je njegov modul momenta očuvan, a sam se reflektira pod uglom jednakim upadnom kutu.
- Fenomen refrakcije. Newton je vjerovao da se prodiranjem u gušći medij iz manje gustog (na primjer, iz zraka u vodu), korpuskula ubrzava zbog privlačenja molekula gustog medija. Ovo ubrzanje dovodi do promjene njegove putanje bliže normalnoj, odnosno uočava se efekat refrakcije.
- Postojanje cvijeća. Tvorac teorije vjerovao je da svaka posmatrana boja odgovara svom korpuskulu "boje".
Problemi navedene teorije i povratak Huygensovoj ideji
Počeli su da se pojavljuju kada su otkriveni novi efekti povezani sa svjetlom. Glavne su difrakcija (odstupanje od pravolinijskog prostiranja svjetlosti kada snop prolazi kroz prorez) i interferencija (fenomen Njutnovih prstenova). Sa otkrićem ovih svojstava svetlosti, fizičari su u 19. veku počeli da se prisećaju Hajgensovog rada.
U istom 19. veku, Faraday i Lenz su istraživali svojstva naizmeničnih električnih (magnetnih) polja, iMaxwell je izvršio odgovarajuće proračune. Kao rezultat toga, dokazano je da je svjetlost elektromagnetni poprečni val, kojem za postojanje nije potreban etar, jer polja koja ga formiraju generiraju jedno drugo u procesu širenja.
Nova otkrića vezana za svjetlo i ideju Maxa Plancka
Čini se da je Newtonova korpuskularna teorija već potpuno zatrpana, ali početkom 20. stoljeća pojavljuju se novi rezultati: ispostavilo se da svjetlost može "izvlačiti" elektrone iz materije i vršiti pritisak na tijela kada je pada na njih. Ove pojave, kojima je dodat neshvatljiv spektar crnog tela, teorija talasa se pokazala nemoćnom da objasni.
Rješenje je pronašao Max Planck. On je sugerirao da svjetlost stupa u interakciju s atomima materije u obliku malih dijelova, koje je nazvao fotonima. Energija fotona se može odrediti formulom:
E=hv.
Gdje je v - frekvencija fotona, h - Plankova konstanta. Max Planck je, zahvaljujući ovoj ideji svjetlosti, postavio temelje za razvoj kvantne mehanike.
Koristeći Planckovu ideju, Albert Einstein objašnjava fenomen fotoelektričnog efekta 1905., Niels Bohr - 1912. daje obrazloženje za atomsku emisiju i apsorpcione spektre, a Compton - 1922. otkriva efekat koji sada nosi njegovo ime. Osim toga, teorija relativnosti koju je razvio Einstein objasnila je ulogu gravitacije u odstupanju od linearnog širenja snopa svjetlosti.
Tako je rad ovih naučnika s početka 20. veka oživeo Njutnove ideje osvjetlo u 17. vijeku.
Korpuskularno-talasna teorija svjetlosti
Šta je svjetlost? Da li je to čestica ili talas? Tokom svog širenja, bilo u mediju ili u prostoru bez vazduha, svetlost pokazuje svojstva talasa. Kada se uzme u obzir njegova interakcija sa materijom, ponaša se kao materijalna čestica. Stoga je u današnje vrijeme, s obzirom na svjetlost, uobičajeno govoriti o dualizmu njenih svojstava, koja su opisana u okviru korpuskularno-valne teorije.
Čestica svjetlosti - foton nema ni naboj ni masu u mirovanju. Njegova glavna karakteristika je energija (ili frekvencija, što je ista stvar, ako obratite pažnju na gornji izraz). Foton je kvantno mehanički objekt, kao i svaka elementarna čestica (elektron, proton, neutron), stoga ima impuls, kao da je čestica, ali se ne može lokalizirati (odrediti tačne koordinate), kao da je talas.
