Свет как частицы
Теоретическая трактовка Максвеллом электромагнитного излучения, включая его описание световых волн, была настолько элегантной и пророческой, что многие физики в 1890-х годах считали, что больше нечего сказать о свете и о том, как он работает. Затем, 14 декабря 1900 года появился Макс Планк и ввел потрясающе простую, но удивительно тревожную концепцию: что свет должен нести энергию в дискретных количествах. Эти количества, по его предложению, должны быть единицами приращения базовой энергии, hf, где h - универсальная константа, теперь известная как константа Планка, а f - частота излучения.
Альберт Эйнштейн выдвинул теорию Планка в 1905 году, когда он изучал фотоэлектрический эффект. Во-первых, он начал с сияния ультрафиолетового света на поверхности металла. Когда он сделал это, он смог обнаружить электроны, испускаемые с поверхности. Это было объяснение Эйнштейна: Если энергия света поступает в виде пучков, то можно подумать, что свет содержит крошечные куски, или фотоны. Когда эти фотоны ударяют по металлической поверхности, они действуют как бильярдные шары, передавая свою энергию электронам, которые вытесняются из своих "родительских" атомов. Освободившись, электроны движутся вдоль металла или выбрасываются с поверхности.
Теория частиц света вернулась - с местью. Затем Нильс Бор применил идеи Планка, чтобы уточнить модель атома. Более ранние ученые продемонстрировали, что атомы состоят из положительно заряженных ядер, окруженных электронами, вращающимися как планеты, но они не могли объяснить, почему электроны не просто вращаются в ядро. В 1913 г. Бор предложил, что электроны существуют на дискретных орбитах, основываясь на их энергии. Когда электрон прыгает с одной орбиты на более низкую, он выделяет энергию в виде фотона.
Квантовая теория света - идея о том, что свет существует как крошечные пакеты, или частицы, называемые фотонами, - начала медленно возникать. Наше понимание физического мира перестало быть прежним.
Двойственность волн-частиц
Сначала физики неохотно принимали двойную природу света. В конце концов, многие из нас, людей, любят иметь один правильный ответ. Но Эйнштейн проложил путь в 1905 году, приняв дуальность частицы волны. Мы уже обсуждали фотоэлектрический эффект, который заставил Эйнштейна описать свет как фотон. Позднее в том же году, однако, он добавил изюминку к истории в статье, представляющей особую относительность. В этой статье Эйнштейн рассматривал свет как непрерывное поле волн - явное противоречие его описанию света как потока частиц. Тем не менее, это было частью его гения. Он охотно согласился со странной природой света и выбрал тот атрибут, который лучше всего подходит для решения проблемы, которую он пытался решить.
Сегодня физики принимают двойную природу света. В этом современном представлении они определяют свет как коллекцию одного или нескольких фотонов, распространяющуюся в пространстве, как электромагнитные волны. Это определение, сочетающее в себе волну света и природу частиц, позволяет переосмыслить эксперимент Томаса Янга с двойной щелью: Свет уходит от источника как электромагнитная волна. Когда он сталкивается с щелями, он проходит сквозь них и делится на два волновых фронта. Эти волновые фронты пересекаются и приближаются к экрану. Однако в момент столкновения все волновое поле исчезает, и появляется фотон. Квантовые физики часто описывают это, говоря, что волна-рассеиватель "сворачивается" в небольшую точку.
Точно так же фотоны позволяют нам видеть окружающий мир. В полной темноте наши глаза действительно способны чувствовать отдельные фотоны, но обычно то, что мы видим в повседневной жизни, приходит к нам в виде миллиардов фотонов, произведенных источниками света и отраженных от объектов. Если вы посмотрите вокруг себя прямо сейчас, то, вероятно, в комнате есть источник света, производящий фотоны, и объекты в комнате, которые отражают эти фотоны. Ваши глаза поглощают некоторые из фотонов, проходящих через комнату, и именно так вы видите.
Но подождите. Что заставляет источник света производить фотоны? Мы до этого дойдем.
В следующей статье https://zen.yandex.ru/media/id/5eb3b6df260ca90dc39891cd/kak-rabotaet-svet-chast-4-5eb4030c4a193a797dd31f21
