Світло поводиться більше, як частинка чи як хвиля? Сьогодні ми знаємо відповідь на це питання. Вона колись усіх здивувала.
Від найдальших зірок на небі до екрана перед вашим обличчям, світло скрізь. Але точна природа світла та те, як воно поширюється, довго спантеличувала вчених. Одне питання особливо хвилювало мислителів від Іссака Ньютона до Альберта Ейнштейна: світло – це частинка чи хвиля?
«Чи є світло частинкою чи хвилею, це дуже давнє питання», — сказав Live Science Ріккардо Сапієнца, фізик з Імперського коледжу Лондона. Як вид, ми, здається, прагнемо зрозуміти фундаментальну природу навколишнього світу, і ця конкретна головоломка зайняла вчених 19-го століття.
Сьогодні немає жодних сумнівів щодо відповіді: світло є і частинкою, і хвилею. Але як вчені дійшли такого приголомшливого висновку?
Відправною точкою було наукове розрізнення хвиль і частинок. “Ви б описали об’єкт як частинку, якщо можете ідентифікувати його як точку в просторі”, – сказав Сапіенца. «Хвиля — це об’єкт, який ви не визначаєте як точку в просторі, і вам потрібно вказати частоту коливань і відстань між максимумом і мінімумом».
Перші переконливі докази хвильової природи світла були отримані в 1801 році, коли Томас Янг виконав свій тепер відомий експеримент із подвійною щілиною. Він поставив екран з двома отворами перед джерелом світла і спостерігав за поведінкою світла після того, як воно пройшло через щілини. Світло, що падає на стіну, показує складний візерунок яскравих і темних смуг, відомих як інтерференційні смуги.
Коли світлові хвилі проходили через кожен отвір, вони генерували часткові хвилі, які випромінювали сферично, перехоплюючи одна одну та додаючи або зменшуючи остаточну інтенсивність.
«Якби світло було частинкою, у вас було б два згустки з іншого боку екрана», — сказав Сапієнца. «Але у нас є перешкоди, і ми бачимо світло скрізь за екраном, а не лише в місці отворів. Це доказ того, що світло — це справді хвиля».
Через вісімдесят шість років Генріх Герц став першим, хто продемонстрував частинкову природу світла. Він помітив, що коли ультрафіолетове світло світить на металеву поверхню, воно генерує заряд — явище, яке називається фотоелектричним ефектом. Однак значення його спостереження було повністю зрозуміло лише через багато років.
Атоми містять електрони на фіксованих рівнях енергії. Тому очікується, що світло, яке потрапляє на них, дасть електронам енергію та дозволить їм вийти з атома, при цьому яскравіше світло швидше звільняє електрони. Але в експериментах після роботи Герца кілька незвичайних спостережень, здавалося, повністю суперечили цьому класичному розумінню фізики.
Читайте також: Супутник на сонячному вітрилі LightSail 2 продовжує свій політ
Саме Ейнштейн нарешті розгадав цю головоломку, за що він отримав Нобелівську премію в 1921 році. Замість того, щоб постійно поглинати світло від хвилі, атоми насправді отримують енергію в пакетах світла, які називаються фотонами.
Але що визначає те, що світло поводиться як хвиля чи як частинка? За словами Сапіенци, це некоректне запитання. «Світло іноді не є частинкою, а іноді хвилею», — сказав він. «Це завжди і хвиля, і частинка. Просто ми виділяємо одну з властивостей залежно від того, який експеримент проводимо».
У повсякденному житті ми здебільшого сприймаємо світло як хвилю, і саме цю форму фізики вважають найбільш корисною для маніпулювання.
«Є те, що називається метаматеріалами. Формуючи матеріал із такими ж властивостями, як світло, ми можемо посилити взаємодію світла з матеріалом і контролювати хвилі», — сказав Сапієнца. «Наприклад, ми можемо створювати сонячні поглиначі, які можуть поглинати світло ефективніше для генерації енергії, або метаматеріальних МРТ зондів, які набагато ефективніші».
Однак подвійна природа світла, відома як подвійність частинок хвилі, є абсолютно фундаментальною для існування світу, яким ми його знаємо. Ця дивна подвійна поведінка також поширюється на інші квантові частинки, наприклад електрони.
«Атом не міг би бути стабільним, якби у вас не було квантової механіки з електронами в певних станах», — сказав Сапієнца. «Якщо ви приберете той факт, що це частинка, ви приберете і те, що вона має певну енергію, а тоді життя не може існувати».
