Свет - это не просто яркий солнечный лучик на вашем подоконнике. Это также метафора просветления и исследования, немного парадоксальная для феномена, который даже после тысяч лет исследований и бесконечных экспериментов ученые до сих пор не могут объяснить.
В эпизоде «Свет - это частица или волна?» Ведущие подкаста «Даниэль и Хорхе объясняют вселенную» обсуждают, является ли свет частицей, волной или чем-то еще. Спойлер: Свет - это не «маленькие щеночки», как беззаботно предлагает соведущий и онлайн-мультипликатор Хорхе Чам.
Ваши глаза многое расскажут вам о том, как ведет себя свет. Он движется очень быстро (около 186 000 миль в секунду или 300 000 километров в секунду) и прочерчивает пространство прямыми линиями, подобными лазеру. Но он также отскакивает, отражает и преломляет, и когда он взаимодействует с подходящей средой, например, с объективом камеры, он может искривляться. Мы используем такие термины, как длина волны и фотоны, чтобы описать его движение, но ни один из них на самом деле не охватывает странные извилистые движения света.
В древние времена греки использовали философские вопросы, чтобы разобраться в широком спектре поведения света. Возможно, задавались они вопросом, свет на самом деле представляет собой маленькие кусочки вещества, которые прыгают туда-сюда. В 1600-х годах французский философ Рене Декарт пришел к убеждению, что свет - это, по сути, волна, которая движется через таинственную субстанцию, называемую пленумом. Исаак Ньютон думал, что свет - это частица, но никак не мог объяснить многие его свойства, например то, как он преломляется и расщепляется в призме.
«Это было в те времена, когда эмпирические исследования науки не были основным способом ответа на вопросы», - говорит соведущий подкаста Дэниел Уайтсон, физик, работавший над Большим адронным коллайдером. Люди придумывали идеи о том, как все устроено, «а потом спорили о них».
В наших исследованиях света, как отмечают наши ведущие, важно помнить некоторые основы науки. Волны - это не вещь или субстанция, это свойство вещи, сжимающее и растягивающее определенную среду, подобно океанской волне, бегущей по поверхности лагуны. Вы можете видеть волны глазами и чувствовать их телом.
Частицы, с другой стороны, не так просто определить. Некоторым людям нравится думать о частицах как о кусочках материи, фрагментах, которые разбиты на мельчайшие и самые основные единицы. Вода, например, представляет собой бесчисленное множество частиц, на которые воздействуют волны.
Так что же такое свет? Является ли это частицей особого типа, фотоном? Или свет на самом деле просто волна, проходящая через другую среду? Нас окружает какая-то жуткая, неизвестная субстанция, которую мы просто не воспринимаем и не понимаем?
Уайтсон рассказывает об известном эксперименте XIX века с двумя щелями, в котором исследователи направляли свет через две щели и наблюдали, как свет падает на экран за щелями. То, что они увидели, было то, что потоки света воздействовали друг на друга - как две руки, плещущие воду в одной и той же раковине - как если бы они были волнами, мешающими друг другу.
В 20 веке ученые начали свои новаторские исследования таких частиц, как нейтроны и электроны. Знаменитый физик Альберт Эйнштейн задавался вопросом, что произойдет, если вы будете излучать свет по одному фотону за раз в эксперименте с двумя щелями. То, что увидели ученые, ошеломило их, потому что отдельные фотоны вели себя с той же интерференционной картиной, что и полномасштабные лучи света, проходящие через обе щели, внося элементы квантовой механики, которые поднимают свойства света до областей, которые мы до сих пор не понимаем.
В конце концов, говорят наши хозяева, свет можно назвать и частицей, и волной, и вы будете правы на каком-то уровне. Но что касается полного объяснения того, как работает свет, мы все еще работаем над этим.
Интересно
Поведение частиц света становится более очевидным в зависимости от того, где вы его наблюдаете. В космическом вакууме свет мчится со скоростью более 186 000 миль в секунду (300 000 километров в секунду). Но направьте луч света на очень плотный кусок материи, скажем, на алмаз, и он замедлится «всего» до 77 000 миль в секунду (124 000 километров в секунду).