Свет

Длина световых волн

Све́т — лучистая энергия, делающая окружающий мир видимым. В узком смысле — то же, что и видимое излучение, то есть электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом (7,5X1014—4,0•1014 Гц), что соответствует длинам волн в вакууме от =400 до =760 нанометров. Световые волны различных частот воспринимаются человеком как разные цвета. Раздел физики, в котором изучается свет, называется оптика.

Из чего состоит свет

Луч света состоит из летящих с огромной скоростью частиц, которые называются фотонами. Каждый фотон — это крошечный сгусток энергии. Скорость полёта частиц света 300 000 километров в секунду. Ничто во Вселенной не может передвигаться с большей скоростью.

Фотон не простая частица. Это маленький отрезок электромагнитной волны. Волны отличаются друг от друга энергией и длиной. Чем длиннее волна, тем меньше её энергия. Фотоны (иначе их называют квантами) разных видов излучения — это отрезки волн различной длины. Наши глаза воспринимают электромагнитное излучение в определённом диапазоне длин волн: это видимый свет (его источники — Солнце и электрические светильники). Гамма — лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение — это тоже свет, но энергия его частиц очень высока, а длина волны мала. Поэтому мы не можем видеть эти лучи. Есть длинноволновые излучения — инфракрасный свет, радиоволны, энергия фотонов которых мала, поэтому их мы тоже не видим.

Спектральный состав света

Как показал в своих экспериментах английский естествоиспытатель Ньютон, обычный белый свет — это набор многих цветов, то есть волн с различной длиной, которые в результате взаимодействия складываются в один белый. Длина волн видимого спектра лежит в диапазоне 380—780 нанометров.

Наука смогла доказать, что практически любой вариант излучения не является монохроматичным — то есть, состоящим из волн только одной длины. Почти любой источник света испускает определённый спектр излучения, в котором есть разброс по длинам волн.

Если излучение имеет более короткие волны, нежели 380 нм, то они относятся к ультрафиолетовому свету, если большие 780 нм — инфракрасному. За их пределами сверху и снизу есть и другие типы излучения: гамма-лучи, рентгеновские волны, микроволновой диапазон.

История изучения света

XVII век-XVIII век

Философия прошлого тысячелетия формулировала свои взгляды на природу света. Рене Декарт в начале XVII века на основе метафизических представлений считал, что свет — это сжатие, распространяющееся в идеально упругой среде, которую он назвал эфиром. В XVI-XVII веках только после выдающихся работ по механике Галилео Галилея, оптика становится на научную основу. Открытия следуют одно за другим.

Именно экспериментальным путем Виллебрордом Снеллиусом был установлен закон преломления света. В это время Пьер Ферма выдвинул свой знаменитый «принцип наименьшего времени», в соответствии с которым свет распространяется по кратчайшему пути. Предполагая различия в «сопротивлениях» разных сред, из этого принципа можно получить закон преломления света. Это была первая победа науки: эксперимент был подтвержден теорией.

Франциск Гримальди обнаруживает наличие света в области геометрической тени (дифракция), а Роберт Бойль и Роберт Гук отдельно друг от друга открывают явление интерференции, наблюдая появление разноцветной окраски тонких пленок. Гук первым предложил считать свет, «состоящим» из быстрых колебаний, распространяющихся с очень большой скоростью.

Электромагнитная теория Гюйгенса

Христиан Гюйгенс публикует работу о поляризации света и постулирует принцип, позднее названный его именем. Согласно этому принципу каждую точку среды, до которой дошло световое возмущение, можно рассматривать как центр нового возмущения, распространяющегося в виде сферической волны. Эти вторичные волны комбинируются таким образом, что их огибающая определяет волновой фронт в любой последующий момент времени. Так зарождается волновая теория света.

Корпускулярная теория

К оптике обращается Исаак Ньютон — гигантский авторитет в науке. Он обнаруживает, что белый цвет с помощью призмы можно разложить на отдельные цветовые компоненты, и что для каждого чистого цвета характерна своя степень преломления (дисперсия света). Знакомый с работами Гюйгенса, Ньютон пытается объяснить поляризацию и предполагает наличие у лучей «сторон». Признание подобной «поперечности» света кажется ему непреодолимым возражением против волновой теории, поскольку ученым в то время были известны лишь продольные акустические волны. Это вынуждает Ньютона отвергнуть волновую теорию и развить корпускулярную, согласно которой свет распространяется от излучающего тела в виде мельчайших частиц. Отрицание волновой теории Ньютоном привело к полному её забвению почти на столетие.

XIX век

Только в начале XIX века были сделаны важнейшие открытия, приведшие к полному признанию волновой теории. Работы Френеля столь надежно обосновали волновую теорию, что победа над сторонниками корпускулярных воззрений казалась окончательной.

Практически независимо от оптических исследований велось изучение электричества и магнетизма, увенчавшееся открытиями Майкла Фарадея. Электричество и магнетизм кажутся совершенно разными вещами. Но учёные установили, что те глубоко переплетаются. Эрстед обнаружил, что электрический ток, проходящий через провод, отклоняет иглу магнитного компаса. Между тем, Фарадей обнаружил, что перемещение магнита вблизи провода может генерировать электрический ток в проводе.

Математики того дня использовали эти наблюдения для создания теории, описывающей это странное новое явление, которое они назвали «электромагнетизм». Но только Джеймс Клерк Максвелл смог описать полную картину.

Максвелл показал, что электрические и магнитные поля передвигаются в виде волн, и эти волны движутся со скоростью света. Это позволило Максвеллу предсказать, что свет сам по себе переносится электромагнитными волнами — и это означает, что свет является формой электромагнитного излучения.

В конце 1880-х, через несколько лет после смерти Максвелла, немецкий физик Генрих Герц первым официально продемонстрировал, что теоретическая концепция электромагнитной волны Максвелла была верной.

XX—XXI век

Корпускулярно-волновой дуализм

В начале XX-го века были обнаружены прерывистые, или квантовые свойства света. Этим свойствам давала объяснение корпускулярная теория. Таким образом, свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом (двойственностью свойств). В процессе распространения свет обнаруживает волновые свойства (то есть ведёт себя как волна), а при излучении и поглощении — корпускулярные свойства (то есть ведёт себя как поток частиц).

Квантовая теория света

На основе всех предыдущих открытий стало возможным сформулировать первые научные тезисы квантовой теории света. К тому времени были сделаны основополагающие открытия в области строения атома, поэтому задача ученых значительно упростилась.

Макс Планк вывел математическую закономерность, связывающую интенсивность теплового излучения с длиной волны. Она изменялась под воздействием нагрева вещества. Подобная теория получила название квантовой и произвела революцию во всем течении развития физики.

Через некоторое время теория квантов была надежно прицеплена к новой теории атомов, которую развивал Нильс Бор. Она объяснила природу движения элементарных частиц в твердых телах. Это стало отправной точкой развития квантовой физики. Спустя некоторое время Макс Планк получил Нобелевскую премию за свое открытие.

Свет и относительность

В 1905 году Альберт Эйнштейн открыл, что свет является фундаментом структуры Вселенной, связывая её с пространством, временем, энергией и веществом. Хотя вы не испытываете это непосредственно в повседневной жизни, объекты сжимаются и становятся тяжелее, когда они движутся со скоростью света. Кроме того, для очень быстрых объектов время для них замедляется по сравнению с остальной Вселенной. И со своим знаменитым принципом эквивалентности, E = mc в квадрате, Эйнштейн показал, что все объекты содержат огромную энергию; чтобы найти количество энергии, вы умножаете массу объекта на скорость света в квадрате.

Скорость света

В 1676 году Оле Ремер впервые измерил скорость света, наблюдая за затмениями спутника Юпитера Ио. Он заметил, что время между затмениями менялось в зависимости от расстояния между Землей и Юпитером. Ремер был заинтересован в том, чтобы предсказать, когда Ио появится из тени Юпитера. Его целью было использовать эти наблюдения для более точного определения орбитального периода Ио. Изначально он не пытался определить скорость света. Основываясь на своих наблюдениях, Ремер рассчитал скорость света примерно в 210 000 км/с, что удивительно близко к современному значению в 299 792 458 метров в секунду, учитывая технологии того времени.

Давление света

Давление, ока­зы­вае­мое све­том на от­ра­жаю­щие и по­гло­щаю­щие те­ла, час­ти­цы, а так­же отдельные мо­ле­ку­лы и ато­мы; од­но из пон­де­ро­мо­тор­ных дей­ст­вий све­та, свя­зан­ное с пе­ре­да­чей им­пуль­са элек­тро­маг­нит­но­го по­ля ве­щeст­ву. Ги­по­те­за о су­ще­ст­во­ва­нии давления света бы­ла впер­вые вы­ска­за­на Ке­п­ле­ром в XVII веке для объ­яс­не­ния от­кло­не­ния хвос­тов ко­мет от Солн­ца. Тео­рия давления света в рам­ках клас­сической элек­тро­ди­на­ми­ки да­на Мак­свел­лом в 1873. В ней давление света объ­яс­ня­ет­ся рас­сея­ни­ем и по­гло­ще­ни­ем элек­тро­маг­нит­ной вол­ны час­ти­ца­ми ве­ще­ст­ва. В рам­ках кван­то­вой тео­рии давление света — ре­зуль­тат пе­ре­да­чи им­пуль­са фо­то­на­ми те­лу.

Первая цветная фотография

Первая цветная фотография

В 1861 году Максвелл обнародовал первую устойчивую цветную фотографию, полученную с использованием системы трехцветного фильтра, которая заложила основу для многих форм цветной фотографии сегодня.

Примечания

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!