От самых далёких звёзд на небе до экрана перед вашим лицом — свет повсюду. Но точная природа света и то, как он распространяется, долгое время озадачивали учёных. В частности, один вопрос не давал покоя мыслителям от Исаака Ньютона до Альберта Эйнштейна: является ли свет частицей или волной?
«Вопрос о том, является ли свет частицей или волной, — очень старый вопрос», — Риккардо Сапиенца, физик из Имперского колледжа Лондона, рассказал Live Science. Как вид, мы, кажется, стремимся понять фундаментальную природу окружающего нас мира, и эта конкретная загадка не давала покоя учёным XIX века.
Сегодня нет никаких сомнений в ответе: свет — это и частица, и волна. Но как учёные пришли к этому невероятному выводу?
Отправной точкой было научное различие между волнами и частицами. "Вы бы описали объект как частицу, если бы могли идентифицировать его как точку в пространстве", - сказал Сапиенца. "Волна - это объект, который вы не определяете как точку в пространстве, и вам нужно указать частоту колебаний и расстояние между максимумом и минимумом".
Когда световые волны проходили через каждое отверстие, они генерировали частичные волны, которые распространялись по сферической поверхности, пересекаясь друг с другом и увеличивая или уменьшая итоговую интенсивность.
«Если бы свет был частицей, то на другой стороне экрана вы бы увидели две группы точек, — сказал Сапиенца. — Но у нас есть интерференция, и мы видим свет повсюду за экраном, а не только в местах отверстий. Это доказывает, что свет действительно является волной».
Атомы содержат электроны на фиксированных энергетических уровнях. Поэтому ожидается, что при воздействии на них светом электроны получат энергию и смогут покинуть атом, причём более яркий свет высвобождает электроны быстрее. Но в экспериментах, проведённых после работы Герца, несколько необычных наблюдений, казалось, полностью противоречили этому классическому пониманию физики.
Именно Эйнштейн наконец-то решил эту загадку, за что в 1921 году получил Нобелевскую премию. Вместо того чтобы непрерывно поглощать свет, исходящий от волны, атомы на самом деле получают энергию в виде световых пакетов, называемых фотонами, что объясняет такие странные наблюдения, как существование предельной частоты.
В повседневной жизни мы в основном воспринимаем свет как волну, и именно этой формой физики считают наиболее полезной для манипуляций.
«Существует целая область под названием «метаматериалы» — формируя материал с теми же характеристиками, что и у света, мы можем усилить взаимодействие света с материалом и управлять волнами», — сказал Сапиенца. «Например, мы можем создавать солнечные поглотители, которые могут более эффективно поглощать свет для выработки энергии, или метаматериалы для МРТ-зондов, которые гораздо эффективнее».
Однако двойственная природа света, известная как корпускулярно-волновой дуализм, является абсолютно фундаментальной для существования мира, каким мы его знаем. Это странное двойственное поведение характерно и для других квантовых частиц, таких как электроны.