Что такое свет? Этот вопрос интересовал человечество во все века, но только в XX столетии нашей эры удалось прояснить многое относительно природы этого феномена. В данной статье речь пойдет о корпускулярной теории света, о ее преимуществах и недостатках.
От философов античного мира до Христиана Гюйгенса и Исаака Ньютона
Некоторое сохранившиеся до нашего времени свидетельства говорят, что природой света начали интересоваться еще в древнем Египте и античной Греции. Сначала полагали, что предметы испускают изображения самих себя. Последние, попадая в глаз человека, создают впечатление видимости объектов.
Затем, во время становления философской мысли в Греции, появилась новая теория Аристотеля, который полагал, что каждый человек из глаз испускает некоторые лучи, благодаря которым он может "ощупывать" предметы.
Средние века не внесли никакой ясности в рассматриваемый вопрос, новые достижения пришли только с эпохой Возрождения и революцией в науке. В частности, во второй половине XVII века появились две совершенно противоположные теории, которые стремились объяснить феномены, связанные со светом. Речь идет о волновой теории Христиана Гюйгенса и корпускулярной теории Исаака Ньютона.
Несмотря на некоторые успехи волновой теории, она все же имела ряд важных недостатков:
- полагала, что свет распространяется в эфире, который никогда никем не был обнаружен;
- поперечный характер волн говорил о том, что эфир должен был быть твердой средой.
Принимая во внимание эти недостатки, а также учитывая огромный авторитет Ньютона на тот момент, теория частиц-корпускул была принята единогласно в кругу ученых.
Суть корпускулярной теории света
Идея Ньютона максимально проста: если все окружающие нас тела и процессы описываются законами классической механики, в которой участвуют тела конечной массы, то значит, и свет представляет собой маленькие частички или корпускулы. Они движутся в пространстве с определенной скоростью, если встречают препятствие, то отражаются от него. Последнее, например, объясняет факт существования тени у объекта. Эти представления о свете просуществовали до начала XIX, то есть около 150 лет.
Любопытно отметить, что ньютоновскую корпускулярную теорию Ломоносов в середине XVIII века использовал для объяснения поведения газов, что излагается в его работе "Элементы математической химии". Ломоносов считал газ состоящим из частиц-корпускул.
Что объясняла ньютоновская теория?
Изложенные представления о свете сделали огромный шаг в понимании его природы. Теория корпускул Ньютона смогла объяснить следующие явления:
- Прямолинейное распространение света в однородной среде. Действительно, если на движущуюся корпускулу света не действуют никакие внешние силы, то ее состояние с успехом описывается первым ньютоновским законом классической механики.
- Явление отражения. Ударяясь о поверхность раздела двух сред, корпускула испытывает абсолютно упругое столкновение, в результате которого ее модуль импульса сохраняется, а сама она отражается под углом, равным углу падения.
- Явление преломления. Ньютон полагал, что проникая в более плотную среду из менее плотной (например, из воздуха в воду), корпускула ускоряется за счет притяжения молекул плотной среды. Это ускорение приводит к изменению ее траектории ближе к нормали, то есть наблюдается эффект преломления.
- Существование цветов. Создатель теории считал, что каждому наблюдаемому цвету соответствует своя "цветная" корпускула.
Проблемы изложенной теории и возвращение к идее Гюйгенса
Они начали возникать, когда появились открытия новых эффектов, связанных со светом. Главными из них являются дифракция (отклонение от прямолинейного распространения света при прохождении луча через щель) и интерференция (явление колец Ньютона). С обнаружением этих свойств света физики XIX века начали вспоминать о работе Гюйгенса.
В том же XIX веке Фарадей и Ленц исследовали свойства переменных электрических (магнитных) полей, а Максвелл провел соответствующие расчеты. В результате было доказано, что свет - это электромагнитная поперечная волна, которая для своего существования не требует эфира, поскольку образующие ее поля порождают друг друга в процессе распространения.
Новые открытия, связанные со светом, и идея Макса Планка
Казалось бы, корпускулярная теория Ньютона уже окончательно похоронена, но в начале XX века появляются новые результаты: оказывается, свет может "вырывать" электроны из вещества и оказывать давление на тела при падении на них. Эти явления, к которым добавился непонятный спектр абсолютно черного тела, волновая теория оказалась бессильной объяснить.
Решение было найдено Максом Планком. Он предположил, что свет взаимодействует с атомами вещества в виде маленьких порций, которые он назвал фотонами. Энергию фотона можно определить по формуле:
E = h*v.
Где v - частота фотона, h - постоянная Планка. Макс Планк, благодаря этому представлению о свете, положил начало развитию квантовой механики.
Используя идею Планка, Альберт Эйнштейн объясняет явление фотоэффекта в 1905 году, Нильс Бор - в 1912 году дает обоснование атомным спектрам излучения и поглощения, а Комптон - в 1922 году открывает эффект, который носит теперь его фамилию. Кроме того, разработанная Эйнштейном теория относительности объяснила роль гравитации в отклонении от линейного распространения пучка света.
Таким образом, работы названных ученых начала XX века возродили представления Ньютона о свете в XVII веке.
Корпускулярно-волновая теория света
Что такое свет? Это частица или волна? Во время своего распространения, будь то в среде или в безвоздушном космосе, свет проявляет свойства волны. Когда же рассматриваются его взаимодействия с веществом, то он ведет себя как материальная частица. Поэтому в настоящее время относительно света принято говорить о дуализме его свойств, которые описываются в рамках корпускулярно-волновой теории.
Частица света - фотон не обладает ни зарядом, ни массой в покое. Основная его характеристика - это энергия (или частота, что одно и то же, если обратить внимание на выражение выше). Фотон - это объект квантовомеханический, как и любая элементарная частица (электрон, протон, нейтрон), поэтому он обладает импульсом, будто является частицей, но его нельзя локализовать (определить точные координаты), будто он является волной.
