Дуалізм світла

Лише через тисячу років таке уявлення заперечив арабський учений Ібн аль-Хайсам. 

Він вважав, що наші очі просто збирають світло, яке на них падає. Так нарешті було пояснено існування темряви. 

Фактично з тих далеких часів і велися дискусії: одні вчені вважали й доводили, що світло – це потік частинок, інші переконували, що світло – це хвилі. Суть і важливість такої суперечки можна зрозуміти, бо між частинками та хвилями існує вагома відмінність. Частинки – локалізовані об’єкти з визначеною масою, які поширюються по прямих траєкторіях (за винятком взаємодії з іншими об’єктами). Хвилі розповсюджуються як збурення в середовищі, не мають визначеної маси, можуть огинати перешкоди та накладатися одна на одну. 

Протягом століть у боротьбі теорій про природу світла не лише велися суперечки, а й з’являлися вагомі докази, експериментальні підтвердження, причому з обох сторін. Іноді дві теорії були актуальні, але в основному перевага в доказах однієї з них на довгий час відкидала та заперечувала протилежну. 

Але цю наукову суперечку та її причину не слід  сприймати чимось надуманим та несуттєвим, як було, наприклад, у війні ліліпутів з книги Дж. Свіфта «Мандри Гулівера». 

Теорію світлохвиль сформулював Християн Гюйгенс. 

Варто зазначити, що обидві теорії мали слабкі місця: не пояснювали  деяких явищ, які навпаки підходили протилежній позиції.

Революційним відкриттям та найвагомішим аргументом на користь хвильової теорії став експеримент з двома щілинами, який на початку ХІХ ст. продемонстрував англійський фізик Томас Юнг. 

Він пропустив світло через екран з двома близько розташованими щілинами. Коли б світло було потоком частинок, на екрані за щілинами мали б з’явитися дві окремі світлові смуги (така ж картина буде, якщо обстрілювати екран маленькими м’ячиками).  

Цей рік можна вважати ключовим етапом у формуванні нового розуміння світла, тому що боротьба двох непримиренних досі теорій прийшла до результатів, які не дозволяли відкидати жодну з них. Поступово формується усвідомлення того, що світло проявляє себе і як хвиля, і як частинка. Для означення такої подвійної природи з’являється поняття корпускулярно-хвильового дуалізму світла. 

Але не думайте, що компроміс поглядів дався легко і міг відбутися раніше. Навіть із визнанням дуалістична природа світла не вкладалася в рамки класичної фізики. Це перейшло в царину квантової фізики, яка вивчає мікроскопічні об’єкти. Світло, маючи корпускулярні властивості, є одним з таких об’єктів.

Лише розвиток квантової механіки в 1920-х роках і роботи де Бройля, Гейзенберга, Шредінгера та інших вчених надали ширшу картину корпускулярно-хвильового дуалізму. Часткове розуміння цього явища можна одержати після уявного експерименту з котом, який ще в 1935 році запропонував Ервін Шредінгер.  

Якщо не вникати в глибокі наукові аспекти та не використовувати поняття суперпозиції, то суть та результат експерименту будуть приблизно такі. Для кота в закритій коробці існує реальна загроза смерті, але для спостерігача стан кота залишається невідомим. Тому можна вважати, що кіт до моменту відкриття коробки перебуває у двох станах: живий (ймовірність 50%) і мертвий (ймовірність  50%). 

Завдяки технологічному прогресу експеримент з двома щілинами  було повторено з електронами та з іншими частинками матерії, що підтвердило їхні хвильові властивості. 

Тому на сьогодні термін корпускулярно-хвильовий дуалізм, який вперше було відкрито у світла, застосовують ще й до всіх квантових об’єктів, таких як електрони, протони, нейтрони та інші елементарні частинки. Це фундаментальна властивість квантової механіки. 

Подальше продовження експериментів з двома щілинами дало дуже цікавий факт: квантові об’єкти проявляють різну поведінку (частинок чи хвиль) залежно від наявності або відсутності спостереження за ними. Але спостереженням при цьому є не погляд і свідомість людини, а вимірювання різними приладами. 

Наприклад, фотони в одному і тому ж експерименті без використання детектора демонструють ознаки хвиль (результат на екрані – інтерференційна картина), а з детектором – частинок (результат на екрані – дві смуги). Така особливість отримала  назву «ефект спостерігача». Він є дуже популярним, навіть серед людей, які далекі від фізики. 

Отже, корпускулярно-хвильовий дуалізм світла – це не просто цікавий науковий факт, а фундаментальна концепція, що є основою сучасної фізики. Вона змінила й продовжує змінювати наше розуміння Всесвіту. 

Які ж аргументи на користь корпускулярної теорії мали її прихильники? 

Світло поширюється по прямих лініях.  

 Ісаак Ньютон вважав, що це найкраще пояснюється, якщо світло складається з частинок. Адже вони, як вже згадувалось, рухаються по прямих траєкторіях.

Саме Ньютон ввів термін «корпускула» на означення частинок світла. За допомогою корпускулярної моделі вчений пояснив також заломлення світла (зміну променем напрямку при переході з одного середовища в інше, наприклад, з повітря у воду) та його відбиття (пружне зіткнення частинок світла з поверхнею). 

Усі згадані явища підтверджують корпускулярну теорію, оскільки в них проявляє себе частинка світла – фотон. 

Як відомо, хвилі розповсюджуються лише в якомусь середовищі. Прихильники хвильової природи світла пояснювали проходження світла в космосі, тобто у вакуумі, існуванням гіпотетичного середовища – ефіру. Це не відповідає реаліям сучасної науки, але ідея ефіру й досі окутана таємничістю і містикою, що можна спостерігати у фантастичних книгах та фільмах. 

А Джеймс Клерк Максвелл зумів теоретично описати ці хвилі як електромагнітні. Загальна теорія електромагнетизму Максвелла підтвердилась багатьма експериментами, зокрема Г. Л. Герца. 

Класична електродинаміка описує фотон як електромагнітну хвилю з круговою правою чи лівою поляризацією. З точки зору класичної квантової механіки, фотону, як квантовій частинці, властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм, він проявляє одночасно властивості частинки і хвилі. Квантова електродинаміка, яка базується на квантовій теорії поля і Стандартній моделі, описує фотон як калібрувальний бозон, який забезпечує електромагнітну взаємодію: віртуальні фотони є квантами-носіями електромагнітного поля і забезпечують взаємодію між двома електричними чи магнітними зарядами. Їм приписується спін 1. Фотони є істинно нейтральними частинками, і не мають античастинок. Фотон сам є власною античастинкою.

Інтерференція світла — перерозподіл інтенсивності світла в результаті накладення (суперпозиції) декількох когерентних світлових хвиль. Це явище супроводжується чергуванням в просторі максимумів і мінімумів інтенсивності. Її розподіл називається інтерференційною картиною.

Протягом дня ми нерідко спостерігаємо інтерференцію — як різнокольорові плями в калюжі, куди вилито бензин, як колір метелика або ж строкатої пташки.

Дослід Юнґа повторили вже після відкриття законів квантової механіки з поодинокими фотонами та електронами. За твердженням Луї де Бройля, кожна частинка у Всесвіті може показувати і хвильові властивості, якщо взаємодіє з об’єктами, співрозмірними її довжині хвилі. 

Наприклад, довжина хвилі людини згідно з формулою де Бройля набагато менша за розміри атомів, тому люди ніколи не поводяться як хвилі. А от електрон поводиться. Його й спрямовували через екран із двома маленькими щілинами, що в діаметрі були не більшими за довжину хвилі електрона. А далі починалося незвичне. Якщо експериментатор проводив замір одразу, електрон пролітав крізь щілину частинкою і його шлях можна було відстежити. Якщо ж замір відбувався після проходження щілин, вчені бачили вже знайому інтерференційну картину. Зазвичай це трактують як проходження електрона або ж фотона крізь дві щілини одночасно. Залежність шляху частинки від наявності вимірів назвали «парадокс споглядача»

Поворотним моментом у дослідженні концепції фотону стала робота Джеймса Клерка Максвелла в 1860-х роках. Максвелл який об’єднав електричні та магнітні явища в єдину електромагнітну теорію. Він показав, що світло — це електромагнітна хвиля.

У 20 столітті Альберт Ейнштейн пояснив фотоелектричний ефект, використовуючи ідею квантів світла, яку раніше запропонував Макс Планк. Ейнштейн назвав ці кванти фотонами. Він довів, що світло проявляє як хвильові, так і корпускулярні властивості, що стало основою квантової механіки.

Фотон не має маси спокою, але переносить енергію та імпульс. Його поведінка описується теорією квантової електродинаміки, що є частиною Стандартної моделі фізики. Фотони відіграють ключову роль у природі: вони відповідальні за електромагнітне випромінювання (світло, радіохвилі, рентгенівські промені тощо) і фундаментально важливі для сучасних технологій, включаючи лазери, оптоволокно і квантові комп’ютери.

Коли ми вмикаємо світло, лампочка випускає мільярди фотонів. 

Герой відомого уявного експерименту Ервіна Шредінгера - кіт, який перебуває рівночасно у двох станах — живому і мертвому. У закриту коробку вміщено кота. У коробці маємо механізм, що містить радіоактивне ядро та ємність з отруйним газом. Параметри експерименту підібрано таким чином, що ймовірність того, що ядро розпадеться протягом однієї години, становить 0.5. Якщо ядро розпадається, то воно пускає в дію механізм, який відкриває ємність з газом, і кіт помирає. Згідно з квантовою механікою, якщо над ядром не виконується спостереження, то його стан описувано суперпозицією (сумішшю) двох станів: ядра, що розпалося, та ядра, що не розпалося. Отже, кіт, що сидить у коробці, — і живий, і мертвий одночасно. Коли ж коробку відкрити, то експериментатор мусить побачити тільки який-небудь один конкретний стан: «ядро розпалося, кіт мертвий», або ж «ядро не розпалося, кіт живий».

Уперше прояв фотоефекту – фотогальванічний ефект – спостерігав французький вчений Олександр Беккерель в 1839р. 

При освітленні платинових пластин, занурених в розчин електроліту, гальванометр починав реєструвати ЕРС. 

Фотоефект у твердій речовині – Селені – відкрив англійський інженер-електрик Віллоубі Сміт, який займався пошуком провідників з високим питомим опором. 

При дослідженні селенових зразків у 1873 р було помічено, що їх опір істотно змінюється при вимірах. Зацікавившись цим явищем, В. Сміт з’ясував, що опір селену зменшується при освітленні його світлом.  У 1883 р. було створено перший селеновий фотоелемент.

У 1887 році досліди проводив відомий німецький фізик Генріх Герц. Але це були лише поодинокі спроби вивчення цього процесу.

Систематично та цілеспрямовано фотоефект вперше почав вивчати лише російський фізик та дослідник Олександр Столєтов. 

Його досліди, що почалися в 1888 році, тривали понад два роки. У результаті цієї роботи Столєтовим було відкрито Перший закон зовнішнього фотоефекту, а також було зроблено низку найважливіших відкриттів у галузі оптоелектроніки.

Теорія зовнішнього фотоефекту була розроблена в 1905 р А. Ейнштейном. Згідно з нею світло існує тільки у вигляді порцій-квантів (фотонів). Випромінювання або поглинання фотона можливо тільки цілком. Причому енергія фотона пропорційна його частоті. При зовнішньому фотоефекті ця енергія частково витрачається на розрив зв’язків електрона в атомі, а частина, що залишилася – це кінетична енергія електронів, які залишили речовину.

Отже, завдяки відкриттю фотоефекту стало можливим: 

1) звукове кіно; 

2) створення різноманітних апаратів, які слідкують за освітленням вулиць, своєчасно запалюють і гасять бакени на річках, працюють "контролерами" в метро, рахують готову продукцію, контролюють якість обробки деталей;

3) перетворення світлової енергії в електричну за допомогою фотоелементів.

Наступний важливий крок в історії фотоелементів було зроблено в 1905 році, коли Альберт Ейнштейн опублікував свою теорію фотоефекту. Він пояснив, що світло складається з частинок (фотонів) і кожен фотон може вибивати електрон з металу. Це відкриття стало основою подальшого розвитку фотоелементів.

Наступним важливим кроком у розвитку фотоелементів стало відкриття напівпровідникових матеріалів 1939 року. Японський вчений Хідео Хосоно виявив, що селен має фотопровідність, тобто його провідність збільшується при освітленні. Це відкриття лягло основою створення перших фотоелементів з урахуванням селену.

Фотоелементи на основі фоторезистивного ефекту використовують зміну опору напівпровідникового матеріалу під впливом світла для генерації електричного струму.

Фотоелементи мають широкий спектр застосування, починаючи від сонячних панелей і закінчуючи датчиками руху та охоронними системами. Ось кілька прикладів їх використання:

Сонячна енергія: фотоелементи є основним компонентом сонячних панелей, що використовуються для перетворення сонячної енергії на електрику. Ці панелі встановлюються на дахах будинків, підприємств та навіть супутників, щоб генерувати електрику.

Датчики руху: застосовуються як датчики руху для автоматичного увімкнення світла або відкриття дверей. Вони можуть бути встановлені в парках, громадських місцях та на підприємствах. Датчики руху завжди продаються парно, включають передавач і приймач. Принцип роботи фотоелементів для воріт полягає в комплексному скануванні території проїзду інфрачервоним променем від передавача до приймача. За наявності будь-яких перешкод, потік, що випромінюється, блокується і не потрапляє на приймач, встановлений навпроти. При перериванні променя будь-яким об’єктом відбувається моментальна зупинка роботи автоматики або виконуєся рух приводу воріт/шлагбауму у зворотному напрямку.

Завдяки цьому жодна людина, тварина, транспортний засіб або інший об’єкт не буде зачеплена шлагбаумом, воротами або стрілою.

Охоронні системи: Фотоелементи також використовуються в охоронних системах для виявлення руху чи проникнення на територію. Вони можуть працювати в парі із відеокамерами або сигналізацією.

Промисловість: фотоелементи застосовуються в різних промислових процесах, таких як контроль температури, вологості та інших параметрів.

У пульсоксиметрі використовуються два фотооптичні елементи та два джерела випромінювання, що працюють у діапазонах з довжиною хвилі: 660 – 940 нм.

Зміни в артеріях відповідають змінам кількості світла, яке поглинулося в тканинах. Прилад може безперервно обчислювати різницю між поглинанням сигналу в інфрачервоній та червоній області спектра.

Побутова техніка: фотоелементи в побутовій техніці використовуються для керування освітленням, увімкнення та вимкнення пристроїв, а також у системах безпеки.

Фотоелемент є частиною конструкції робота-пилососа.

Нехай плоска електромагнітна хвиля падає на площину перпендикулярно. Тоді  електрична і магнітна складова хвилі направлені паралельно цієї площини. Під дією електричної складової  хвилі на площині виникне рух заряджених частинок (наприклад електронів). Точніше заряджені частинки почнуть коливатися синфазно з коливанням вектора напруженості електричного поля.  Отже, на площині виникає електричний струм, спрямований уздовж напруженості електричного поля. З боку магнітного поля на електрони, що рухаються, буде діяти сила Лоренца (або сила Ампера на провідник з електричним струмом). Так як вектор напруженості магнітного поля і вектор густини струму паралельні поверхні, то напрямок сили Лоренца перпендикулярний площині та  збігається за напрямом поширення світлової хвилі. Ця сила утворює тиск на поверхню. 

Експериментальна установка Лебедєва для вимірювання сили радіаційного тиску (вид зверху): B – дугова лампа, C – конденсор, D – діафрагма 4 мм, K – колімуюча лінза, W – кольоровий фільтр, S1, S4 – дзеркала на рухомій пластині (у лівому положенні пластини світло промінь спрямований вправо і навпаки), S2, S3, S5, S6 – нерухомі дзеркала, L1, L2 – лінзи, G – скляна банка з торсійними вагами, P1, P2 – скляні пластини, R – зображення діафрагми D, R1 – зображення діафрагми D, T – термопара.

Диски (діаметр 5 мм), використані у вимірюваннях Лебедєва: 1 – почорніла платина (товщиною близько 0,1 мм), 2 – почорніла платина (товщиною близько 0,02 мм), 3 – платинове дзеркало товщиною 0,1 мм, 4 – платинове дзеркало товщиною 0,02 мм, 5 – алюмінієве дзеркало товщиною 0,1 мм, 6 – алюмінієве дзеркало товщиною 0,02 мм, 7 – нікелеве дзеркало 0,02 товщина мм, 8 – товщина слюди <0,01 мм.

Приблизно так само світло має подвійну природу й на практиці: за одних обставин виявляє властивості частинок, за інших – хвиль.

Можливо, це не піддається законам логіки і здається парадоксальним, але з таким уявленням ми хоч трішки торкаємося істини про дуалістичну природу світла. І взагалі, квантова фізика дає таке уявлення про мікросвіт, яке дуже відрізняється від класичних поглядів, тобто від того, як ми звикли бачити макросвіт.