Що таке світло?
Щодня ми бачимо денне світло. Але, що таке світло? Стародавні вчені вважали, що з очей людини, тварин та інших істот виходять особливі тонкі щупальця і при обмацуванні ними предметів очі їх бачать. Більш правдоподібну гіпотезу про природу світла висунув 2500 років тому Піфагор. Він вважав, що кожен предмет постійно випромінює на всі боки потоки дрібних частинок, які, потрапляючи в очі, викликають відчуття або світла, або контурів предметів.
Навколо питання, що таке світло, виникла по-справжньому наукова суперечка в 17 столітті між корпускулярною і хвильовою теоріями природи світла. Перша пов'язана з ім'ям Ісаака Ньютона, друга - Християна Гюйгенса.
Ньютон дотримувався корпускулярної теорії, згідно з якою світло - це потік частинок (корпускул), що йдуть від джерела на всі боки. Якщо на їхньому шляху трапляється око, то останній відчуває ці частки як світло.
Що ж таке світло згідно з уявленнями Гюйгенса? Це потік хвиль, що розподіляються у невідомому, гіпотетичному середовищі - ефірі, що заповнює все навколо. Цей ефір проникає і всередину предметів - повітря, скла, води. Він заповнює весь величезний космічний простір між зірками, планетами та іншими небесними тілами.
Обидві ці теорії чи гіпотези існували паралельно, і жодна з них не могла здобути вирішальної перемоги. Але Ньютон зумів схилити більшість вчених на свій бік. Відкритий ним закон інерції чудово пояснював прямолінійний політ "світлових" частинок рухом їх за інерцією. Віддзеркалення світла від дзеркал цілком відповідало відскоку пружних куль при їх ударах об площину. Правда, Ньютон ніяк не міг пояснити, чому ці частинки не стикаються в просторі, якщо промені світла перетинаються. Хвильова теорія чудово пояснювала це. Хвилі, хоча на поверхні води, вільно проходять один крізь одного, не надаючи взаємного впливу.
Подвійне становище у поглядах на природу світла тривало до 19 століття, коли, дані з теорії хвильових процесів, змусили вчених визнати, що світло поводиться як хвиля. Особливо постарався у цьому шотландський вчений Дж.К. Максвел (1831-1879). Він довів, що світло – це електромагнітні коливання, які, до речі, чудово поширюються у порожнечі, і не потрібно жодного "ефіру".
Але, хвильова теорія світла не могла пояснити, наприклад, фотографію, або фотоефект - можливості світла "виривати" з металу спеціальні невідомі тоді частинки - електрони.
Смертельний удар по електромагнітній хвильовій теорії світла завдала наприкінці 19 століття так звана "ультрафіолетова катастрофа". Справа в тому, що згідно з цією теорією будь-яке тіло має постійно випромінювати в простір хвильову енергію, а отже, втрачати її та охолоджуватися. Причому до абсолютного нуля. Оскільки випромінюються всі частоти, включаючи дуже енергоємні – ультрафіолетові, то й катастрофа "глобального" охолодження всіх тіл була названа "ультрафіолетової".
Але якщо цього у природі немає, то, отже, хвильова електромагнітна природа світла безглузда. Вихід із "ультрафіолетового" глухого кута був знайдений німецьким фізиком Максом Планком (1858–1942). Він припустив, що енергія електромагнітного випромінювання виділяється не безперервно, а порціями, що називаються квантами. І виявилося, що при високих частотах (ультрафіолетовий спектр) ці кванти настільки великі, і на їх створення витрачається така велика енергія, що на випромінювання її вже й не вистачає. Тому при великих частотах енергія випромінювання практично дорівнює нулю, і жодна "ультрафіолетова катастрофа" не загрожує.
Квантова гіпотеза чудово пояснювала і явище фотоефекту та хімічної дії світла, в тому числі і фотосинтез та багато іншого. Але виявилося, що ця гіпотеза не відкинула хвильову гіпотезу, а чудово з нею зжилася. Отриманий "симбіоз" двох гіпотез пояснював уже всі властивості електромагнітного випромінювання, в тому числі світла.
А практично вийшло таке:
– при поширенні світло поводиться швидше як хвиля, а при виникненні та поглинанні – швидше як частинка;
- при високих частотах головну роль грають квантові ("корпускулярні") властивості світла, а при малих - хвильові.
