Прошло более 100 лет с тех пор, как нам представили квантовую теорию света, но и сегодня эта теория настолько актуальна, что многие современные Открытия и изобретения дня основаны на лежащих в его основе знаниях.

• Волновая оптика — это область науки, возникшая на основе квантовой теории света, которая занимается дифракцией, интерференцией и поляризацией света.Микроскопия, приложение волновой оптики, позволяет нам видеть объекты, которые невозможно увидеть невооруженным глазом. Многие важные открытия (относящиеся к микроорганизмам, клеткам тела, структуре белков) были бы невозможны без теорий волновой оптики.
• ЖК-экран (жидкокристаллический дисплей), используемый в телевизорах, калькуляторах, цифровых часах и ЖК-мониторах, сочетает электрическое поле со световой энергией для создания изображений. Принимая во внимание, что оптические диски, такие как CD и DVD, используют технологию лазерного луча для хранения данных в цифровом виде.Обе эти инновации основаны на принципе интерференции.
• Технология голограмм все еще находится в стадии разработки, и она может воплотить виртуальный мир в реальность. Эта захватывающая цифровая технология следующего поколения основана на дифракции и применении волнообразных свойств света. Дифракция также является основным принципом спектроскопии, метода, используемого для обнаружения элементов, обнаруженных в различных небесных телах.
• Квантовая теория света также используется для объяснения возникновения различных явлений, таких как фотолиз, дифракция рентгеновских лучей, биолюминесценция и т. д.Недавние исследования показывают, что лучшее понимание квантовых свойств света может привести к дальнейшему развитию в таких областях, как сбор энергии, квантовая информация и криптография.

От космологии до голограмм наше понимание света во многом изменило мир.

Как понимание света привело к сотне лет ярких идей

7 января 2021

A ЛБЕРТ ЭЙНШТЕЙН получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году.Темпоральная аномалия, заключенная в этом предложении, увы, не была одним из контринтуитивных следствий его теорий относительности, искажавших привычные представления о времени и пространстве. Всему виной упрямый шведский офтальмолог и тот факт, что гений Эйнштейна переделал физику во многих отношениях.

Ваш браузер не поддерживает элемент

Наслаждайтесь большим количеством аудио и подкастов на iOS или Android.

Врачом-офтальмологом был Аллвар Гульстранд, один из пяти членов Нобелевского комитета по физике, которому было поручено ежегодно присуждать премию Шведской королевской академии наук. Гульстранд считал работу Эйнштейна по теории относительности оскорблением здравого смысла (которым она вроде как и была) и неправильной (которой на самом деле не был). Каждый год, начиная с 1918 года, комитет выдвигал больше кандидатур Эйнштейна, чем любого другого кандидата. И каждый год Гульстранд говорил «нет».

К 1921 году остальным членам комитета надоело довольствоваться меньшими лауреатами: единственное решение, которое можно было принять единогласно, — это вообще не присуждать премию. Из-за большого затруднения академия решила отложить вручение премии 1921 года до следующего года, когда она будет присуждена одновременно с премией 1922 года.Это дало Карлу Вильгельму Осину, шведскому физику, недавно назначенному в комитет, время для хитроумного плана. Он номинировал Эйнштейна не за теорию относительности, а за его раннюю работу, объясняющую способность света производить электрические токи. Хотя Гульстранд все еще был раздражен, это помогло. В ноябре 1922 г. Эйнштейн был удостоен премии 1921 г. «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэффекта».

Эта ловкая попытка сохранить лицо спустя столетие кажется вполне оправданной.Первая статья Эйнштейна о природе света, опубликованная в 1905 году, содержала единственный аспект его работы, который он сам когда-либо называл «революционным». Она не объясняла новый эксперимент или открытие и не заполняла пробел в устоявшейся теории; физики были вполне довольны, рассматривая свет как волны в «светоносном эфире». Он просто предположил, что новый способ мышления о свете может помочь науке более последовательно описывать мир.

Это стремление к согласованности привело Эйнштейна к вопросу, можно ли с пользой рассматривать энергию луча света как разделенную на дискретные пакеты; количество энергии в каждом пакете зависело от цвета или длины волны вовлеченного света.Таким образом, «закон», упомянутый в его Нобелевской цитате: чем короче длина волны луча света, тем больше энергии содержится в каждом пакете.

Восемь лет назад, в 1897 году, эксперименты, проведенные Дж.Дж. Томсон убедил своих коллег-физиков в том, что «катодные лучи», производимые электродами в электронных лампах, состоят из элементарных частиц, которые он назвал «электронами». Со временем энергетические пакеты Эйнштейна стали рассматриваться как «фотоны». Электрон показал, что электрический заряд сконцентрирован в точечных частицах; фотон был способом увидеть энергию, сконцентрированную таким же образом.Работа Эйнштейна и других ученых показала, что эти две частицы тесно связаны друг с другом. Чтобы передать энергию электрону, вы должны использовать фотон; и когда электрон вынужден отдать энергию, результатом является фотон. Этот мутуализм воплощен в некоторых из наиболее распространенных современных технологий; солнечные элементы, цифровые камеры, оптоволоконные каналы передачи данных, светодиодное освещение и лазеры. Он используется для измерения космоса и исследования ткани пространства и времени. Он еще может отправлять космические зонды к звездам.

Устоявшееся представление о свете, послужившее основой для работы Эйнштейна, восходит к 1864 году, когда Джеймс Клерк Максвелл объединил все, что знали физики об электрических и магнитных силах, в теорию электромагнитных «полей», создаваемых объектами, несущими электрический заряд. Стационарные заряженные объекты создавали электрические поля; те, которые движутся с постоянной скоростью, создавали магнитные поля. Ускоряясь, заряженные объекты создавали волны, состоящие из обоих полей одновременно: электромагнитное излучение. По словам Максвелла, свет был формой такого излучения.Его уравнения предполагали, что могут быть и другие. В конце 1880-х годов Генрих Герц доказал, что это правда, создав радиоволны в своей лаборатории. Он не только доказал правоту Максвелла, но и добавил возможность беспроводной телеграфии к целому ряду электрических технологий — от уличных фонарей до динамо-машин и трансатлантических телеграфных кабелей, — которые произвели революцию в конце 19 века.

С тех пор ученые обнаружили и/или использовали электромагнитные волны с длинами волн, которые колеблются от многократного диаметра Земли до одной миллионной диаметра атомного ядра.Длины волн видимого света — 380 нанометров (миллиардных долей метра) в синей части спектра и 700 нм в красной — особенные только потому, что к ним чувствительны человеческие глаза.

Причина, по которой Эйнштейн счел то, что он назвал «гениальным открытием Максвелла», незавершенным, заключалась в том, что поля Максвелла математически описывались как «непрерывные» функции: напряженность полей имела значение в каждой точке пространства и не могла резко увеличиваться от одного указать на следующий. Но материальный мир не был непрерывен.Это было комковатым; его молекулы, атомы и электроны были отдельными сущностями в пространстве. Физика описывала материальный мир посредством статистических описаний поведения очень большого количества этих микроскопических комочков; тепло, например, зависело от скорости, с которой они вибрировали или натыкались друг на друга. Это был математический подход, совсем не похожий на Максвелловскую трактовку электромагнитных полей.

Тем не менее материя и электромагнитное излучение были тесно связаны. Каждый объект излучает электромагнитное излучение только потому, что имеет температуру; его температура определяется колебаниями составляющих его частиц, некоторые из которых заряжены, а колебания заряженных частиц порождают электромагнитные волны.Разброс длин волн этого излучения — его спектр — зависит от температуры тела; чем горячее тело, тем короче средняя и максимальная длины волн, которые оно излучает. Причина, по которой человеческий глаз чувствителен к длинам волн в диапазоне 380–700 нм, заключается в том, что именно эти длины волн наиболее активно излучает тело, если оно нагревается до 5500°C, температуры поверхности Солнца. Таким образом, это длины волн, которые преобладают в солнечном свете (см. Таблицу).

Если длина волны и температура так тесно связаны между собой, считал Эйнштейн, то должна быть возможность говорить о них на одном и том же математическом языке. Поэтому он изобрел статистический подход к тому, как энтропия — склонность к беспорядку — изменяется при изменении объема полости, заполненной электромагнитным излучением. Затем он, в сущности, спросил, какого рода шероховатость может объясняться его статистикой. Ответом были сгустки энергии, обратно пропорциональные длине волны света, который они представляли.

В 1905 году Эйнштейн был готов зайти так далеко, что предположил, что эта точка зрения легкого как кусок дает кажущиеся естественными объяснения различных явлений.В последующие годы он ужесточил свою позицию. Его работа по теории относительности показала, что светоносный эфир Максвелла не требовался для распространения электромагнитных полей; они существовали сами по себе. Его работа над светом показала, что энергия этих полей может концентрироваться в точечных частицах в пустом пространстве. Свет превратился из того, что он называл «проявлением некоторой гипотетической среды», в «независимую сущность, подобную материи».

Это объяснение не было полностью удовлетворительным, потому что свет теперь рассматривался как непрерывная волна в некоторых контекстах — скажем, когда он фокусируется линзами — и как что-то принципиально комковатое в других.Это было разрешено развитием квантовой механики, в которой материя и излучение считаются одновременно частицами и волнами. Частью того, что значит быть электроном, фотоном или кем-то еще, является наличие «волновой функции»; вероятности, рассчитанные по этим волновым функциям, предлагают единственный доступ к истине о частицах, который может иметь физика.

Эйнштейн так и не смирился с этим. Он отверг идею о том, что теория, предполагающая только вероятности, может быть действительно фундаментальной.Он хотел, чтобы фотон был и волной, и частицей. Он так и не нашел его. «Все эти 50 лет сознательных размышлений, — писал он другу в 1951 году, — не приблизили меня к ответу на вопрос: что такое кванты света? но он ошибается».

Хотя Эйнштейн, вероятно, не имел в виду его конкретно, одним из таких Диков был Ричард Фейнман, один из четырех физиков, которые в конце 1940-х завершили интеллектуальную структуру, основы которой Эйнштейн заложил: полную теорию света и света. материя, называемая квантовой электродинамикой, или QED .Это теория, в которой и материя, и излучение описываются в терминах полей фундаментально квантовой природы. Частицы — будь то света или материи — рассматриваются как «возбужденные состояния» этих полей. Не обнаружено явлений, которые QED могли бы объяснить и которые не могут объяснить; не было проведено ни одного измерения, которое не соответствовало бы его предсказаниям.

Фейнман с радостью отказался от размышлений Эйнштейна и прямо заявил, что «свет состоит из частиц». Его рассуждения были прагматичными.Все машины, предназначенные для обнаружения света, при достаточно слабом освещении будут давать прерывистые показания типа «есть или нет», а не непрерывные. Природа квантовой механики и ее волновых функций означает, что некоторые из этих прочтений будут противоречить общепринятым представлениям о том, что означает частица находиться в данном месте или существовать как независимая сущность. Но это всего лишь путь квантов, детка.

Точная манипуляция фотонами пролила свет на «нелокальность», «декогеренцию» и другие странные квантово-механические явления.Теперь их применение к практическим задачам с помощью квантовых вычислений и квантовой криптографии становится все более вероятным. Но этот Ежеквартальный обзор технологий не о таких квантовых странностях (об этом см. наш Ежеквартальный обзор технологий за январь 2018 года). Речь идет о том, как взаимодействие фотонов с электронами использовалось для изменения мира посредством создания систем, которые могут превращать свет непосредственно в электричество, а электричество непосредственно в свет.

То, что свет и электричество связаны, было известно задолго до Эйнштейна.В 1880-х годах Вернер фон Сименс, основатель инженерной фирмы, носящей его имя, придавал «самое далеко идущее значение» таинственному «фотоэлектрическому эффекту», который заставлял панели из селена производить струйки тока. К теории Эйнштейна относились серьезно отчасти потому, что она объясняла, почему слабый коротковолновый свет может производить такой ток, а яркий длинноволновый свет — нет: значение имело количество энергии в каждом фотоне, а не общее количество фотонов.

Технология, основанная на таких идеях, с тех пор позволила превратить свет в электричество в масштабах, которые поразили бы Siemens.Он позволяет миллиардам пользователей телефонов снимать цифровые видеоролики и отправлять их друг другу через инфраструктуру, сотканную из стеклянных усов. Он освещает комнаты, стирает татуировки, лепит роговицы и описывает мир беспилотным автомобилям. Изобретательность и счастливый случай, правительственные субсидии и поиск прибыли создали, по предложению Эйнштейна, золотой век света — всплеск инноваций, который спустя столетие даже отдаленно не закончился. ■

Примечание редактора: в печатном издании этой статьи имя Дж. Дж. Томсона написано с ошибкой.Приносим свои извинения за ошибку

Эта статья появилась в Ежеквартальном разделе технологий печатного издания под заголовком «Освобождение света»

Волновая теория света: определение и доказательства — Видео и стенограмма урока

Волновая теория света

Волновая теория света была тем, как мы впервые поняли свет. Теория была наиболее широко распространена Робертом Гуком и Христианом Гюйгенсом в 17 веке.

Они предсказали, что если бы свет был волной, мы бы видели определенные вещи.Мы увидели бы, что свет может отражаться от блестящих поверхностей, преломляться (или преломляться) при переходе из одного материала в другой и преломляться (или распространяться) вокруг объектов или при движении через щели. Также должна быть возможность увидеть интерференцию, когда пики или впадины волн складываются для создания более яркого света, а пики и впадины компенсируются, создавая более темные области.

Доказательства

Все эти вещи были замечены в формальных экспериментах 19 века. Но некоторые из них легко увидеть у себя дома.Очевидно, что свет может отражаться — достаточно посмотреть в зеркало. Свет отражается от зеркала и попадает в ваш глаз, чтобы вы могли видеть себя. Также очевидно, что свет может преломляться: все, что вам нужно сделать, это положить ложку в большой стакан с водой и посмотреть, как ложка изгибается.

Это происходит потому, что свет искривляется, когда он движется между воздухом и водой. Обе эти вещи можно увидеть еще более четко в лаборатории с помощью лучей света или лазеров.

Дифракцию было труднее распознать, и она использовалась до начала 19 века.Томас Янг показал, что свет распространяется, когда проходит через щель, и что два источника света могут мешать друг другу, создавая узоры. Когда два пика или две впадины от двух источников света попадают на экран в одном и том же месте, вы получаете яркую область. Кроме того, когда пик и впадина попадают на экран в одно и то же место, они компенсируются, и вы получаете темную область. Это можно объяснить только в том случае, если свет является волной.

Все эти свидетельства убедили людей в том, что волновая теория света полностью верна и что это все, что нужно для света.Поэтому, когда Эйнштейн и Планк использовали эксперимент с фотоэлектрическим эффектом, чтобы показать, что свет также может вести себя как частица, это стало настоящим шоком!

Краткий обзор урока

Свет — это тип волны, благодаря которой объекты видны человеческому глазу. Солнце излучает свет, который отражается от предметов и попадает нам в глаза. Но объяснить, из чего состоит свет, гораздо сложнее.

В начале 20 века мы обнаружили, что свет является одновременно и частицей, и волной.Это называется корпускулярно-волновым дуализмом . Но это стало неожиданностью, ведь до этого мы были уверены, что свет — это волна. Эта предыдущая теория называлась волновой теорией света .

У нас есть довольно веские доказательства в поддержку волновой теории света. Мы могли видеть, что свет может отражаться (отражаться), преломляться (изгибаться), дифрагировать (распространяться) и интерферировать, создавая темные и светлые узоры. Эти вещи можно было бы объяснить, только если бы свет был волной. Работа Эйнштейна и Планка показала, что свет тоже является частицей, что стало большим сюрпризом.о4$ конечный поток эндообъект 41 0 объект >поток Королевское общество ©2017ABBYY Recognition Server; изменено с использованием iText 4.2.0 автором 1T3XT

Возрождение волновой теории света в начале девятнадцатого века

Природа света — очень старый вопрос в истории науки, восходящий, по крайней мере, к греческим временам. Среди естествоиспытателей восемнадцатого века преобладало убеждение, что свет состоит из частиц, а не из волн. Возрождение волновой теории света в начале девятнадцатого века в значительной степени связано с двумя городами: Томасом Юнгом (1773–1829), открывшим закон интерференции в Лондоне, за которым последовало развитие математической волновой теории Огюстеном Френелем (1788). -1827) в Париже. Подъем волновой теории в течение первых трех десятилетий века часто рассматривается как революция в науке.Он продемонстрировал новый стиль научных рассуждений, в котором абстрактные математические модели имели приоритет над интуитивными механическими аналогиями света. Последовавшая за этим дискуссия о достоверности новой теории привела к более тщательному изучению стандартов и целей научных исследований. За это время область оптики была переопределена, и изучение физических аспектов света стало признано важным само по себе, помимо его актуальности для теологии или видения.

Свет и зрение были тесно связаны с древними греками и арабами. Тактильная теория, которая утверждала, что наше зрение инициируется нашими глазами, пытающимися «потрогать» или ощутить что-то на расстоянии, постепенно уступила место теории излучения, которая постулировала, что зрение возникает в результате излучения освещенными объектами энергии, воспринимаемой нашими глазами. глаза. Природа излучаемого света занимала мыслителей эпохи Возрождения в Европе, с ранними представлениями о свете как о потоке частиц, возможно поддерживаемом эфиром, невидимой средой, которая, как считалось, пронизывает пустое пространство и все прозрачные материалы.

Используя принцип, согласно которому световые лучи проходят путь, который минимизирует их время прохождения, Пьер де Ферма (1601-1665) объяснил явление преломления, искривление света на границе двух прозрачных сред, таких как воздух и вода. Аналогичный принцип для световых волн ввел Христиан Гюйгенс (1629—1695), рассматривавший сферические световые импульсы, распространяющиеся в упругом эфире. Принцип Гюйгенса лег в основу волновой теории, разработанной Френелем полтора века спустя.

Пустота в волновой теории в промежуточный период обычно приписывается влиятельному наследию сэра Исаака Ньютона (1642-1727), который предпочитал думать о свете как о корпускулах или частицах, которые подчиняются законам движения, которые носят его имя. Ньютон наблюдал концентрические полосовые узоры при отражении света от сферической стеклянной поверхности, известные как кольца Ньютона, но ему не удалось распознать признаки волновой интерференции в этом явлении. Его предубеждение против волновой теории было основано на убеждении, что свет распространяется по прямым линиям, образуя геометрические тени от острых предметов.Обратные наблюдения, в которых свет преломлялся вокруг объекта, образуя сложные узоры вблизи края тени, были известны Ньютону, но не убедили его в волновой гипотезе.

Большинство натурфилософов восемнадцатого века, занимавшихся природой света, думали, как и Ньютон, что свет состоит из отдельных частиц, подверженных механическим силам и инерции. Менее строгий взгляд считал, что это больше похоже на жидкость частиц, подверженных коллективному движению в эфире, с аналогиями, проводимыми с теплом и огнем, иногда с библейскими коннотациями. Волновая теория света в основном игнорировалась в этом столетии, за некоторыми исключениями. Например, математик Леонард Эйлер (1707–1783) отстаивал теорию вибрации, основанную на сравнении света и звука. Точно так же, как звук распространяется за счет колебаний воздуха, которые являются продольными или параллельными его движению, Эйлер представлял свет как продольные колебания эфирной среды.

Сам Янг верил в теорию вибрации на рубеже девятнадцатого века. По образованию врач, его ранние исследования человеческого зрения и акустики привели его к рассмотрению физической природы света и звука.Он разработал несколько экспериментов для проверки своих взглядов на свет, самым известным из которых является эксперимент с двумя щелями, носящий его имя. Он рассматривал свет от апертуры, падающий на две равномерно расположенные щели на непрозрачном экране. Свет, выходящий из двух щелей, образовывал полосы чередующихся ярких и темных полос на экран наблюдения. Янг идентифицировал этот периодический паттерн с волновой интерференцией, когда световые волны от двух щелей накладываются друг на друга, аннулируя или усиливая друг друга, подобно двум перекрывающимся кругам в резервуаре с водой. Он измерил расстояние между полосами для разных цветов, подтвердив гипотезу Эйлера о том, что цвет света связан с частотой эфирных колебаний. Янг также признал роль интерференции в формировании колец Ньютона.

Несмотря на успехи Янга с теорией вибрации, он не смог укротить явление двойного лучепреломления, давно известное как затруднение как для корпускулярных, так и для волновых взглядов на свет. Это была тенденция луча света преломляться в два отдельных луча при попадании в определенные кристаллы, такие как исландский шпат (кальцит), при этом относительная интенсивность двух лучей зависела от угла входа в кристалл.Ни корпускулярная, ни вибрационная теория не могли объяснить, как свет может быть таким «боковым», предпочитая один угол другому, поскольку ни частицы, ни звуковые волны не обладают этим свойством. Этьен Малюс (1775–1812) в 1810 году показал, что это свойство поляризации или односторонности света также связано с отражением, поскольку лучи с разной поляризацией отражаются от зеркала в разной степени в зависимости от угла их падения. явление, известное как частичное отражение. Поляризация обеспечила мост между колебательной теорией Юнга и истинной волновой теорией, разработанной Френелем во втором десятилетии века.

Френель начал исследовать явления дифракции в 1814 году, склоняясь к волновой теории света и выдвигая идею о том, что высокая частота колебаний волны, возможно, объясняет почти прямолинейное движение света. Будучи склонным к математике, Френель стремился построить теорию дифракции, основанную на принципе Гюйгенса, допуская, что каждая точка на фронте волны может быть источником интерферирующих друг с другом сферических волн. Это положило начало математической теории распространения волн.Френель использовал этот принцип в его общем виде, с континуумом точек на каждом фронте волны, генерирующим вторичные вейвлеты, которые интерферировали во всем диапазоне фаз, а не только в двух. Используя аналитическое исчисление, Френель смог вывести формулы для нескольких геометрий дифракции, включая дифракцию через узкую щель и вокруг непрозрачного диска, что принесло ему приз Парижской академии в 1819 году. поляризацию света также можно было бы объяснить, если рассмотреть поперечные волны, когда эфир колеблется перпендикулярно направлению движения.Трансверсальность придала бы свету двусторонность, так как есть два независимых направления, по которым волна могла бы колебаться перпендикулярно своему движению. Об этом свидетельствует эксперимент, проведенный Френелем в 1819 году вместе с Домиником-Франсуа Араго (1786-1853), в ходе которого было обнаружено, что лучи света с разной поляризацией не интерферируют друг с другом. К 1822 году Френель смог включить поперечные волны в свою теорию и дать убедительные объяснения двойного преломления и частичного отражения, когда два луча света соответствовали двум поперечным поляризациям волны.После этого периода волновая теория быстро завоевала популярность.

Когда Янг впервые высказался в поддержку аналогии между светом и звуковыми волнами перед Лондонским королевским обществом в 1800 году, его неявное неприятие взглядов Ньютона на свет не получило распространения. на хорошо с его английской аудиторией. Его более поздние рассуждения о вмешательстве в эксперимент с двумя щелями встретили недоверие. Мысль о том, что на экране, равномерно освещаемом одной апертурой, могут появиться темные полосы при введении второй апертуры — что добавление на 90 437 больше 90 438 света может привести к освещенности на 90 437 меньше 90 438, — было трудно принять, особенно тем, кто не привык к этому. представление о свете как о волне.Аналогичная трудность возникла с теорией дифракции Френеля, когда один из судей его призового комитета 1819 года, Симеон-Дени Пуассон (1781-1840), подчеркнул кажущийся абсурдным факт, что его теория предполагала яркое пятно в центре тени. светящийся непрозрачный диск, что сразу подтвердил Араго.

Ситуация резко изменилась в 1820-х годах, когда все большее число ученых приняло волновую теорию света. Волновая теория Френеля получила поддержку с большей готовностью, чем вибрационные теории Эйлера и Юнга, по нескольким причинам.Замена продольных волн поперечными волнами позволила включить поляризацию в описание волны. Теория давала конкретные численные предсказания, которые можно было легко проверить, включая такие явления, как дифракция и двойное лучепреломление, которые было трудно согласовать с представлением о частицах. Также важным был тот факт, что волновая теория была аксиоматической теорией, основанной в основном на принципе Гюйгенса, а не на наборе специальных гипотез, характерных для теорий частиц, и это нашло все больший резонанс среди ученых 1830-х годов, особенно молодого поколения.

Аналогии между светом и другими явлениями играли менее важную роль в новой волновой теории. Теории частиц сравнивали свет с материальными телами, подверженными механическим силам, или же рассматривали свет как жидкость, подобную теплу и электричеству, которые в то время также моделировались как жидкости. Теория вибрации была основана на аналогии со звуком, используя материальные свойства эфира, такие как плотность и упругость, для объяснения вибраций. Напротив, волновая теория Френеля делала упор на методологию, разрабатывая математические следствия аналитического принципа. В то время как ее сторонники продолжали ссылаться на эфир для интерпретации теории и облегчения ее предположений, формализм теории не выстоял и не рухнул с конкретной интерпретацией. Действительно, формализм не ограничивался световыми волнами, но мог использоваться для объяснения всех волновых явлений.

Хотя волновая теория доминировала в оптической науке после 1830 г., оставалось несколько критиков, которые не могли принять ее предпосылки и продолжали искать объяснения в терминах частиц и лучей.Спор шел о природе научных законов и их связи с эмпирическими фактами, в центре внимания была волновая теория. Физическая оптика в начале девятнадцатого века была, по существу, индуктивной наукой, как термодинамика или химия. состоящая из набора разрозненных наблюдений, нуждающихся в объединяющем теоретическом описании. Хотя волновая теория давала последовательное описание, которое можно было проверить, она опиралась на абстрактные гипотезы, такие как принцип Гюйгенса и трансверсальность, которые сами по себе не поддавались немедленной проверке, не говоря уже о свойствах эфира, которые их поддерживали. Это беспокоило тех, кто считал, что научные гипотезы или законы должны быть одновременно необходимы и достаточны для объяснения всех соответствующих явлений. Шотландский физик Дэвид Брюстер (1781–1868), например, считал абстрактные предпосылки волновой теории излишними и необоснованными и предпочитал более простую индукцию из известных фактов. Сторонники волновой теории, с другой стороны, больше доверяют объединяющей силе своей теории, позволяя ей постепенно обретать уверенность благодаря новым экспериментам, что подразумевает тонкий сдвиг в методологии.Например, поперечность световой волны в конечном итоге приобрела большее физическое значение в работах Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879) с ассоциациями с электричеством и магнетизмом.

К концу волновой революции оптика имела другое значение как для ученых, так и для их непрофессионалов. В то время как трактаты и лекции по оптике восемнадцатого века могли включать разделы по теологии и видению при обсуждении света, учебники девятнадцатого века, как правило, рассматривали исключительно физические аспекты света, с все более широким использованием математики для волновой теории. Постепенно эмпирические и теоретические аспекты света стали занимать центральное место, меньше заботясь о его социологических или физиологических ответвлениях. Результатом стала специализация области с меньшим участием непрофессионалов в научных дискурсах и более математически подготовленной научной элитой.

Часто отмечают, что современная дисциплина теоретической физики стала отличаться от натурфилософии в начале девятнадцатого века, когда все большее внимание уделялось использованию передовой математики для описания физических теорий.В то время в физической науке действительно происходила большая революция, когда области становились все более специализированными и автономными, излагались новые научные методы и менялись модели обучения и карьеры ученых. Многие из этих изменений были неотъемлемой частью возникновения волновой теории света.

АШОК МУТУКРИШНАН

Книги

Бухвальд, Джед З. Возникновение волновой теории света: оптическая теория и эксперимент в начале девятнадцатого века. Чикаго: University of Chicago Press, 1989.

Кантор, Джеффри Н. Оптика после Ньютона: теории света в Великобритании и Ирландии, 1704–1840 гг. Манчестер, Великобритания: Издательство Манчестерского университета, 1983.

Хехт, Юджин. Оптика. 3-е изд. Рединг, Массачусетс: Addison-Wesley, 1998.

Зайонц, Артур. Ловля света: переплетение истории света и разума. Нью-Йорк: Bantam Books, 1993.

Периодические издания

Френель, Огюстен Дж.«Mémoire sur la diffraction de la lumière». Annales de Chimie et de Physique 11 (1819): 246–96 и 337–78.

Янг, Томас. «К теории света и цвета». Philosophical Transactions 92 (1802): 12-48.

ИЗОБРЕТЕНИЕ КАЛЕЙДОСКОПА

Акалейдоскоп — это оптический прибор, содержащий зеркала, расположенные под особым углом для формирования множественных симметричных отражений света. Цветное стекло или пластик или жидкие смеси масла и воды иногда используются для создания меняющихся красочных узоров. Калейдоскоп в переводе с греческого означает «прекрасная форма, которую можно увидеть», вдохновляя поколения художников, дизайнеров и музыкантов. Он был изобретен в 1816 году шотландским физиком Дэвидом Брюстером, который писал: «Если правда, что существуют гармонические цвета, которые вызывают больше удовольствия своим сочетанием, чем другие, что тусклые и мрачные массы, медленно движущиеся перед глазами, возбуждают чувство грусти и тоски; и что воздушный узор света и мимолетных форм, обогащенных живыми красками, способен вдохновлять нас бодростью и весельем, то несомненно, что путем искусного сочетания этих мимолетных видений ум может получить степень удовольствия намного выше той, которая возникает от непосредственного впечатления, которое они производят на орган зрения.» Около 200 000 калейдоскопов было продано в Париже и Лондоне в течение трех месяцев, но сэр Брюстер не смог получить прибыль от продаж, так как ему не удалось защитить свой патент на инструмент.

Наука и ее время: понимание социальной значимости Научное открытие

Что такое свет?

Представьте, что вы в парке и смотрите на лист на ветке дерева. Мы знаем, что свет отражается от листа к вашему глазу, чтобы сказать вам, что он зеленый, но что такое свет?

Две ранние идеи пришли из 17-го века: английский ученый Исаак Ньютон считал, что свет состоит из маленьких частиц (он называл их корпускулами), испускаемых горячими объектами (такими как солнце или огонь), в то время как его современник, голландский физик Христиан Гюйгенс, думал, что свет — это своего рода волна, вибрирующая вверх и вниз по мере продвижения вперед.

Тем не менее, ни один из них понятия не имел, что такое свет на самом деле. (Ньютон понятия не имел, из чего состоят его корпускулы; у Гюйгена не было представления о том, что такое «волна». Между прочим, вопрос о том, является ли фотон частицей или волной, так и не был полностью решен.)

Мы можем проследить первые шаги к пониманию состава света до рабочего стола в Копенгагене в 1820 году, где датский ученый Ганс Кристиан Эрстед читал лекцию об электричестве.

Рядом с батареей, которую он использовал в своей демонстрации, оказался компас, и он заметил, что стрелка компаса внезапно дергается, когда он включает или выключает батарею. Это означало, что электричество и магнетизм связаны — или, как это было более формально описано позже, изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле.

Затем, 11 лет спустя, английский ученый Майкл Фарадей обнаружил обратное: что изменяющееся магнитное поле также создает электрическое поле.

Именно шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл собрал эти идеи об электричестве и магнетизме (плюс несколько других) и объединил их в единую теорию «электромагнетизма».

Но самое знаменитое озарение Максвелла произошло, когда он объединил работы Эрстеда и Фарадея, чтобы объяснить сущность света.

Он понял, что изменяющееся электрическое поле может создавать изменяющееся магнитное поле, которое затем создает другое электрическое поле и так далее. В результате получится самоподдерживающееся электромагнитное поле, бесконечно повторяющееся и перемещающееся невероятно быстро.

Как быстро? Максвелл тоже смог рассчитать это со скоростью около 300 000 000 метров в секунду — довольно близко к тому, что недавно было измерено для скорости света.

Итак, вот что такое свет: электрическое поле, связанное с магнитным полем, летящее сквозь пространство.

Вы можете думать о двух полях как о партнерах по танцу, окутанных вечными объятиями. Чтобы поддерживать самогенерацию, как электрические, так и магнитные компоненты должны идти в ногу. Для танго нужны двое.

Теперь мы знаем, что существует целый спектр электромагнитных волн, каждая из которых отличается своей длиной волны. (Вы можете думать о длине волны как о длине танцевального шага.)

На коротком конце высокоэнергетические гамма-лучи могут иметь длину волны, намного меньшую длины волны атома водорода, а на длинном конце низкоэнергетические радиоволны могут иметь длину, равную ширине планеты Юпитер. Видимый свет представляет собой очень тонкий срез электромагнитного спектра с длинами волн примерно от 400 до 700 миллиардных долей метра, что примерно равно ширине бактерии E. coli или примерно 1% ширины человеческого волоса.

Вы можете задаться вопросом, почему мы можем видеть этот диапазон света, а не другие длины волн. Для этого есть две основные причины.

Во-первых, «видение» обычно включает в себя какую-то химическую реакцию, запускаемую светом. Химия наших клеток, основанная на углероде, запускается светом в видимом диапазоне. Более длинные волны не несут достаточно бодрости, чтобы вызвать реакции, в то время как свет с более короткими волнами несет слишком много энергии и может повредить тонкую химию жизни (поэтому, например, ультрафиолетовый свет вызывает солнечные ожоги).

Во-вторых, диапазон длин волн от 400 до 700 нанометров может перемещаться в воде довольно далеко, прежде чем он будет поглощен (именно поэтому чашка с водой кажется нам прозрачной — через нее проходит почти весь видимый свет).Первые глаза развились под водой, поэтому этот диапазон света обладал наибольшим эволюционным преимуществом по сравнению с другими длинами волн.

Итак, снова в парк. Когда вы смотрите на лист, свет, попадающий в ваш глаз, представляет собой волну электричества и магнетизма определенной длины волны.