Мыслители древних цивилизаций пытались познать природу света, делая различные предположения на эту тему. В наследство от древнегреческих ученых и естествоиспытателей сохранилось название света «фотон», которое в современной науке означает неделимую частицу электромагнитного излучения. В настоящее время физическая наука рассматривает световой поток, как направленное движение неисчислимого количества мельчайших квантовых частиц, называемых фотонами
Оглавление
История вопроса
Тысячелетия назад ученых начал интересовать вопрос о том, что представляет собой световой поток. Его природу рассматривали, в качестве волн, лучей или мелких частиц. По историческим меркам, ответ был найден не так давно — всего несколько десятилетий назад. Оказалось, что электромагнитное взаимодействие внутри светового луча состоит из крошечных квантов, получивших название фотонов.
Ближе всего из древних цивилизаций к правильному пониманию природы световых лучей подходили представители одного из направлений индуистской философии. Понимание физической основы света последователями индийского ученого Вайшешика, в 6-м веке до нашей эры, было основано на принятии теории мельчайших частиц «теджас», которые древние греки впоследствии назвали атомами. Более 2-х тысячелетий назад философы и физики на интуитивном уровне очень близко подошли к разгадке тайны света. По существующим тогда теориям, лучи состояли из множества очень быстро движущихся мельчайших частиц.
Знаменитый математик и философ Эвклид, живший в 3-4 – м столетии до нашей эры, впервые поделился своими представлениями о способности света отражаться от различных поверхностей. Ученый создал отдельный закон физики на эту тему, а также утверждал, что свет движется строго по прямой линии, не огибая выпуклости, которые создают тень. Его соотечественник, Птолемей, через 100 лет дополнил закон отражения описанием явления рефракции. Однако прошла еще тысяча лет, пока арабский ученый Ибн аль-Хайсам написал свой труд «Книга оптики». В научном трактате, созданном около 1021 года, он подробно коснулся законов рефракции, придав им академическую завершенность.
В период темного Средневековья людям было не до теорий о природе света, зато пришедшая на смену Эпоха Возрождения вновь вызвала интерес мыслящих людей к научным темам. В Европе открылись новые университеты, где студенты могли изучать физику, механику и оптику. В 1637-м году была напечатана книга «Диоптрика», написанная Рене Декартом. Ученый известен своим немалым вкладом в математическую науку, а в данной работе он описал свое понимание света, как множества импульсов, получающих ускорение, при соприкосновениями с эфирными частицами.
В конце 17-го века физик Христиан Гюйгенс обнародовал свою теорию природы сжимаемых световых волн, распространение которых он рассматривал по аналогии со звуковыми. Ученый внес свой вклад в физическое понимание двойной рефракции, а также в теорию отраженных и рассеянных световых волн в эластичном атмосферном пространстве.
Корпускулярно-волновой дуализм
Со времен Исаака Ньютона ученый мир разделился на две непримиримые части. Одни представители физической науки считали, что свет состоит из множества волн, а другие настаивали на корпускулярной теории. Главным представителем «корпускуляристов» являлся и сам Ньютон, который решительно отвергал волновую теорию. По его мнению, наличие теней у предметов и объектов наглядно доказывает, что свет не распространяется в большом количестве за встречные препятствия, подобно звуку. Однако основоположник многих современных физических законов критично относился к представителям обеих теорий, сознавая их бездоказательные утверждения. В конце концов, Ньютон остановился на корпускулярно-волновой природе светового потока.
Физические свойства фотона
Вплоть до начала 19-го века, в среде физиков преобладала корпускулярная световая теория. Развитие технических возможностей позволило ученым производить более сложные опыты и доказывать на практике правоту некоторых предположений.
Интерференция и дифракция
Знаменитый опыт Томаса Юнга, описанный в школьных учебниках физики, был произведен ученым в 1801-м году. Он направил световые лучи на сплошной непроницаемый экран, в котором были сделаны только 2 тонкие прорези, расположенные параллельно. За ними находился проекционный экран, на котором можно было увидеть несколько интерференционных световых полосок. Наглядная демонстрация отражения целого ряда вторичных волн, проходящих всего через 2 прорези, опровергала утверждение о том, что свет состоит из частиц.
Определившись с понятием интерференции и опираясь на волновую теорию природы света, Юнг провел опыт по объяснению явления дифракции. Последняя получается в результате интерференции 2-х следующих друг за другом волн. Первая из них распространяется равномерно по всем участкам пространства, но разрывается при встрече с препятствием и становится темнотой. Следующая за ней волна отклоняется от края экрана на своем пути и становится дифрагирующей. Исходя из того, что тень не является абсолютной темнотой, ученый считал, что из-за явления дифракции волна может распространяться за границами препятствия.
Конденсат Бозе-Эйнштейна
Пятое состояние физической материи было предсказано обоими учеными еще в 1925-м году, однако получить его опытным путем удалось только в 1995-м. Эйнштейн и Бозе одновременно пришли к выводу, что конденсат вещества можно произвести при температуре, дошедшей до абсолютного нуля.
Элементарные частицы конденсата, названные «бозонами» в честь их первооткрывателя, обладают собственным моментом вращательного движения. Было также выявлено, что этот момент или спин выражен для бозонов целым числом (1, 2, 3), а для фермионов половинным (1/2). При охлаждении газообразного вещества рубидия до температуры, превышающей абсолютный нуль на одну шестимиллионную градуса, его атомы превращаются в квантовое состояние, где бозоны являются фотонами, а фермионы – электронами. Практического значения конденсат Бозе-Эйнштейна пока не имеет, но на его примере физики могут изучать различные явления, происходящие с материей на квантовом уровне.
Интересные свойства фотонов
В определении фотона указано, что он представляет собой квантовую частицу световых поперечных волн, двигающуюся под воздействием электромагнитного влияния других таких же частиц. Из-за полного отсутствия у фотона массы, знака заряда и значимого количества энергии, некоторым физикам до сих пор кажется, что этой частицы не существует, и она является какой-то виртуальной величиной. Являясь единицей светового потока, фотоны всегда передвигаются в пространстве со скоростью света, но при этом они не состоят из атомов.
Материальные объекты могут выделять, отражать или поглощать фотоны, которые одновременно ведут себя, как частицы и волны. Невозможно представить квантовую частицу светового потока даже в виде мельчайшей песчинки, так как последняя обладает весом и другими свойствами твердого вещества. Чтобы каким-то образом материализовать фотон в своем представлении, надо осознать, что существует некая невидимая энергетическая микро-единица, передающая световой луч на расстояние, заданное начальным импульсом, в роли которого может быть Солнце или свеча.
