Теория света: история развития

Свет всегда был проводником и источником вдохновения для человечества на протяжении всей его истории. Свет дает людям жизнь. Свет, исходящий от звезд, включая Солнце, всегда поражал людей. Если бы не было света, не было бы жизни. Свет звезд веками вел моряков, способствовал развитию астрологии, помогал составлять календари, время и знать сезонные закономерности.

В ранней Греции Эратосфен использовал свет для измерения размера Земли. Он установил шесты в двух разных угловых положениях на земле, измерил длину образующихся теней и с помощью тригонометрии определил размер Земли. Ньютон показал, что свет состоит из спектра разных цветов, представляющих разные длины волн, с помощью эксперимента со стеклянной призмой. Когда свет падает на призму, он преломляется и рассеивается на разные длины световых волн. Галилей использовал отраженный от планет и спутников солнечный свет, чтобы обнаружить спутники Юпитера через свой телескоп-рефлектор.

Всегда были споры о природе света. Именно Ньютон выдвинул теорию о том, что свет состоит из корпускул или частиц. Предполагалось, что свет представляет собой пучок частиц, движущихся с очень большой скоростью. Его теория столкнулась с противодействием со стороны Христиана Гюйгенса, который утверждал, что свет распространяется волнами, образуя гребни и впадины. После этих предположений природа света во многом оставалась загадочной, и в теории света не произошло крупного прорыва.

Только в восемнадцатом веке Томас Юнг провел свои интерференционные эксперименты, чтобы предположить, что свет представляет собой волну. Когда свет проходит через две маленькие щели, на экране, то за щелями формируется интерференционная картина. Узор состоит из чередующихся ярких и темных полос, образованных конструктивной и деструктивной интерференцией волн. Если бы свет был по своей природе частицей, то интерференции не произошло бы. Так волновая природа света была окончательно принята за природу света.

Постоянна ли скорость света? Скорость зависит от среды, в которой он движется? Таковы были некоторые из вопросов, преобладающих в восемнадцатом веке. Максвелл доказал, что свет состоит из чередующихся волн электрического и магнитного полей. Уравнения, сформулированные Максвеллом, также доказали, что свет движется с определенной скоростью. В то время предполагалось, что пространство заполнено эфиром, который представляет собой среду, через которую распространяется свет, поэтому свет не имеет фиксированной скорости. Распространение света в эфире определялось его скорость.

Вопрос о том, какой будет скорость света для наблюдателя, движущегося со скоростью света или движущегося с половиной скорости света, задумал Эйнштейн. Потребуется специальная теория относительности, которая докажет, что в какой бы системе отсчета ни путешествовал бы наблюдатель, скорость света будет одинаковой. Итак, если вы находитесь в космическом корабле или в лодке на стоячей воде, скорость света будет одинаковой для каждого наблюдателя. Это было замечательное наблюдение, которое изменило все, что было известно о свете. Именно это предположение о постоянной скорости света привело Эйнштейна к созданию специальной и общей теории относительности.

Однако потребовался специальный эксперимент американских ученых Майкельсона и Морли, чтобы показать, что свет распространяется с постоянной скоростью. Они будут измерять свет в двух направлениях вращения Земли. По их предположению, вращение Земли влияет на движение эфира, среды, через которую проходит свет, тем самым влияя на скорость света. Но к своему удивлению они обнаружили, что скорость света одинакова в обоих направлениях. Как только это было доказано, работа Эйнштейна приобрела доверие. Таким образом, было окончательно доказано, что свет распространяется с постоянной скоростью.

Другой великой работой было открытие Хабблом расширяющейся Вселенной. Свет, исходивший от далеких звезд, показал характерную структуру спектра, показывающую, что он смещен в красную сторону. Из эффекта Доплера было ясно, что галактики удаляются друг от друга. Это новое открытие дало толчок теории расширяющейся Вселенной, что способствовало отказу от старой статической теории Вселенной.

Споры о том, является ли свет волной или частицей, продолжались до тех пор, пока эксперимент с фотоэлектрическим эффектом не доказал, что свет состоит из частиц. Свет при встрече с металлической пластиной выбивает из нее электроны. Это доказало правильность корпускулярной теории Ньютона. Как оказалось, свет имеет не только волновую, но и корпускулярную природу? Звучит странно, но это действительно так, что привело к появлению нового направления в физике — квантовой механики. В этой новой области исследования электроны, движущиеся со скоростью света, могут проявлять волновые свойства. В конце концов, было решено, что свет может быть не только частицей, но и волной. Таким образом, дебаты, длившиеся веками, были окончательно разрешены, и открытие природы частиц, несомненно, проложило новый путь для физики.