Światło to nie tylko jasna plama słońca na parapecie. To także metafora oświecenia i eksploracji, trochę paradoksalna dla zjawiska, którego - nawet po tysiącach lat dociekań i niekończących się eksperymentów - naukowcy wciąż nie potrafią wyjaśnić.
W odcinku „Czy światło jest cząstką czy falą?” prowadzący podcast „Daniel and Jorge Explain the Universe” dyskutują o tym, czy światło jest cząstką, czy falą… czy też czymś zupełnie innym. Uwaga spoiler: Light nie jest, jak żartobliwie proponuje współgospodarz i rysownik internetowy Jorge Cham, „małe szczenięta”.
Twoje oczy wiele mówią o zachowaniu się światła. To jedzie bardzo szybko (około 186.000 mil na sekundę lub 300.000 kilometrów na sekundę) i blazes poprzez przestrzeń w laserlike liniach prostych. Ale także odbija się, odbija i załamuje, a kiedy wchodzi w interakcję z odpowiednim medium, takim jak obiektyw aparatu, może się zakrzywić. Używamy terminów takich jak długość fali i fotony, aby opisać jego ruchy, ale żaden z nich tak naprawdę nie obejmuje dziwnych meandrów światła.
W starożytności Grecy stosowali pytania filozoficzne, aby omówić szeroki zakres zachowań światła. Być może, zastanawiali się, światło to tak naprawdę małe kawałki rzeczy, które odbijają się tam iz powrotem. W XVII wieku francuski filozof Rene Descartes doszedł do przekonania, że światło jest zasadniczo falą, która przemieszczała się przez tajemniczą substancję zwaną plenum . Izaak Newton uważał, że światło jest cząstką, ale nie potrafił wyjaśnić wielu jego właściwości, na przykład sposobu, w jaki załamuje się i rozłupuje w pryzmacie.
„To jest w czasach, kiedy empiryczne badania naukowe nie były głównym sposobem odpowiadania na pytania” - mówi współprowadzący podcast Daniel Whiteson, fizyk, który spędził czas pracując nad Wielkim Zderzaczem Hadronów . Ludzie wymyślali pomysły na to, jak coś działa, „… a potem dyskutowali o nich”.
Nasi gospodarze zwracają uwagę, że podczas naszych badań światła należy pamiętać o kilku podstawach naukowych. Fale nie są rzeczą ani substancją, są właściwością rzeczy, ściskając i rozciągając określone medium, jak fala oceaniczna falująca po powierzchni laguny. Możesz zobaczyć fale oczami i poczuć je swoim ciałem.
Z drugiej strony cząsteczki nie są tak łatwe do zdefiniowania. Niektórzy ludzie lubią myśleć o cząstkach jako o kawałkach materii, fragmentach, które są podzielone na najmniejsze i najbardziej podstawowe jednostki. Na przykład woda składa się z niezliczonych cząstek… cząstek, na które wpływają fale.
Więc czym jest światło? Czy jest to własny, szczególny rodzaj cząstki, foton? A może światło naprawdę jest tylko falą przepływającą przez inne medium? Czy otacza nas jakaś przerażająca, nieznana substancja , której po prostu nie dostrzegamy lub nie rozumiemy?
Whiteson zwraca uwagę na słynny XIX-wieczny eksperyment z podwójną szczeliną, w którym badacze przepuszczali światło przez dwie szczeliny i obserwowali sposób, w jaki światło padało na ekran znajdujący się za szczelinami. Zobaczyli, że strumienie światła oddziałują na siebie nawzajem - jak dwie ręce rozpryskujące wodę w tym samym zlewie - jakby były wzajemnie zakłócającymi się falami.
W XX wieku naukowcy rozpoczęli pionierskie badania cząstek, takich jak neutrony i elektrony. Słynny fizyk Albert Einstein zastanawiał się, co by się stało, gdybyś emitował światło po jednym fotonie w czasie eksperymentu z podwójną szczeliną. To, co zobaczyli naukowcy, zdumiało ich - ponieważ pojedyncze fotony zachowywały się z tym samym wzorcem interferencji, który występował przy pełnoskalowych wiązkach światła przepływających przez obie szczeliny, wprowadzając elementy mechaniki kwantowej, które podnoszą właściwości światła do dziedzin, których nadal tak naprawdę nie rozumiemy.
Ostatecznie, mówią nasi gospodarze, możesz nazwać światło zarówno cząsteczką, jak i falą, i na pewnym poziomie miałbyś rację. Ale jeśli chodzi o pełne wyjaśnienie, jak działa światło, nadal nad tym pracujemy.
Teraz to jest interesujące
Zachowanie cząstek stałych światła staje się bardziej widoczne w zależności od tego, gdzie je obserwujesz. W próżni kosmicznej światło przeskakuje z prędkością ponad 300 000 kilometrów na sekundę (300 000 kilometrów na sekundę). Ale skieruj wiązkę światła na bardzo gęsty kawałek materii - powiedzmy, diament - a zwalnia ona do „tylko” około 77 000 mil na sekundę (124 000 kilometrów na sekundę).
