Ända sedan Demokrit – en grekisk filosof som levde mellan 400- och 400-talet fvt – hävdade att hela tillvaron bestod av små odelbara atomer, har forskare spekulerat i ljusets sanna natur. Medan forskare vågade sig fram och tillbaka mellan föreställningen att ljus var en partikel eller en våg fram till den moderna eran, ledde 1900-talet till genombrott som visade oss att det beter sig som båda.
Dessa inkluderade upptäckten av elektronen, utvecklingen av kvantteorin och Einsteins Relativitetsteorin . Men det finns fortfarande många obesvarade frågor om ljus, av vilka många kommer från dess dubbla natur. Till exempel, hur kommer det sig att ljus uppenbarligen kan vara utan massa, men ändå bete sig som en partikel? Och hur kan den bete sig som en våg och passera genom ett vakuum, när alla andra vågor kräver ett medium för att fortplanta sig?
Teori om ljus till 1800-talet:
Under den vetenskapliga revolutionen började forskare gå bort från aristoteliska vetenskapliga teorier som hade setts som vedertagen kanon i århundraden. Detta inkluderade att förkasta Aristoteles teori om ljus, som såg det som en störning i luften (ett av hans fyra 'element' som komponerade materia), och att omfamna den mer mekanistiska synen att ljus var sammansatt av odelbara atomer.
På många sätt hade denna teori förhandsgranskats av atomister från den klassiska antiken – som Demokritos och Lucretius – som båda såg ljus som en enhet av materia som ges ut av solen. På 1600-talet dök det upp flera forskare som accepterade denna uppfattning och påstod att ljuset bestod av diskreta partiklar (eller 'kroppar'). Detta inkluderade Pierre Gassendi, en samtida med René Descartes, Thomas Hobbes, Robert Boyle, och mest känt, Sir Isaac Newton .
Den första upplagan av Newtons Opticks: eller, en avhandling om ljusets reflexioner, refraktioner, böjningar och färger (1704). Kredit: Public Domain.
Newtons korpuskulära teori var en utarbetande av hans syn på verkligheten som en växelverkan mellan materiella punkter genom krafter. Denna teori skulle förbli den vedertagna vetenskapliga uppfattningen i mer än 100 år, vars principer förklarades i hans avhandling från 1704 ' Optik, eller en avhandling om ljusets reflektioner, brytningar, böjningar och färger '. Enligt Newton kan ljusets principer summeras enligt följande:
- Varje ljuskälla avger ett stort antal små partiklar som kallas blodkroppar i ett medium som omger källan.
- Dessa blodkroppar är perfekt elastiska, stela och viktlösa.
Detta representerade en utmaning för 'vågteorin', som hade förespråkats av 1600-talets holländska astronom Christiaan Huygens . . Dessa teorier kommunicerades första gången 1678 till Paris Academy of Sciences och publicerades 1690 i hans' Avhandling om ljus '('Avhandling om ljus'). I den argumenterade han för en reviderad version av Descartes åsikter, där ljusets hastighet är oändlig och fortplantas med hjälp av sfäriska vågor som emitteras längs vågfronten.
Dubbelslitsexperiment:
I början av 1800-talet började forskare bryta med korpuskulär teori. Detta berodde delvis på det faktum att korpuskulär teori misslyckades med att på ett adekvat sätt förklara ljusets diffraktion, interferens och polarisering, men var också på grund av olika experiment som tycktes bekräfta den fortfarande konkurrerande uppfattningen att ljus betedde sig som en våg.
Den mest kända av dessa var utan tvekan Dubbelslitsexperiment , som ursprungligen dirigerades av den engelske polymath Thomas Young 1801 (även om Sir Isaac Newton tros ha dirigerat något liknande på sin egen tid). I Youngs version av experimentet använde han en papperslapp med skåror i den, och riktade sedan en ljuskälla mot dem för att mäta hur ljus passerade genom den.
Enligt klassisk (d.v.s. Newtonsk) partikelteori borde resultaten av experimentet ha motsvarat slitsarna, varvid nedslagen på skärmen uppträdde i två vertikala linjer. Istället visade resultaten att de koherenta ljusstrålarna störde och skapade ett mönster av ljusa och mörka band på skärmen. Detta stred mot den klassiska partikelteorin, där partiklar inte stör varandra, utan bara kolliderar.
Den enda möjliga förklaringen till detta interferensmönster var att ljusstrålarna faktiskt uppförde sig som vågor. Detta experiment skingrade alltså uppfattningen att ljus bestod av blodkroppar och spelade en viktig roll i acceptansen av vågteorin om ljus. Men efterföljande forskning, som involverade upptäckten av elektronen och elektromagnetisk strålning, skulle leda till att forskare återigen övervägde att ljus också betedde sig som en partikel, vilket gav upphov till våg-partikeldualitetsteori.
Elektromagnetism och speciell relativitet:
Före 1800- och 1900-talen hade ljusets hastighet redan bestämts. De första registrerade mätningarna utfördes av den danske astronomen Ole Rømer, som 1676 demonstrerade med hjälp av ljusmätningar från Jupiters måne Io för att visa att ljus färdas med en begränsad hastighet (snarare än omedelbart).
Prof. Albert Einstein håller den 11:e Josiah Willard Gibbs-föreläsningen vid mötet med American Association for the Advancement of Science den 28 december 1934. Kredit: AP Photo
I slutet av 1800-talet föreslog James Clerk Maxwell att ljus var en elektromagnetisk våg och utarbetade flera ekvationer (känd som Maxwells ekvationer ) för att beskriva hur elektriska och magnetiska fält genereras och förändras av varandra och av laddningar och strömmar. Genom att utföra mätningar av olika typer av strålning (magnetiska fält, ultraviolett och infraröd strålning) kunde han beräkna ljusets hastighet i vakuum (representerad somc).
1905, Albert Einstein publicerade 'Om rörliga kroppars elektrodynamik”, där han förde fram en av sina mest kända teorier och störtade århundraden av accepterade föreställningar och ortodoxier. I sin uppsats postulerade han att ljusets hastighet var densamma i alla tröghetsreferensramar, oavsett ljuskällans rörelse eller observatörens position.
Att utforska konsekvenserna av denna teori är det som fick honom att föreslå sin teori om Särskild relativitet , som förenade Maxwells ekvationer för elektricitet och magnetism med mekanikens lagar, förenklade de matematiska beräkningarna och överensstämde med den direkt observerade ljushastigheten och redogjorde för de observerade aberrationerna. Det visade också att ljusets hastighet hade relevans utanför sammanhanget av ljus och elektromagnetism.
För det första introducerade den idén att stora förändringar inträffar när saker rör sig nära ljusets hastighet, inklusive tidsrymdramen för en rörlig kropp som verkar sakta ner och dra ihop sig i rörelseriktningen när den mäts i betraktarens ram. Efter århundraden av allt mer exakta mätningar bestämdes ljusets hastighet till 299 792 458 m/s 1975.
Einstein och fotonen:
1905 hjälpte Einstein också till att lösa en hel del förvirring kring beteendet hos elektromagnetisk strålning när han föreslog att elektroner emitteras från atomer när de absorberar energi från ljus. Känd som fotoelektrisk effekt , baserade Einstein sin idé på Plancks tidigare arbete med 'svarta kroppar' - material som absorberar elektromagnetisk energi istället för att reflektera den (dvs vita kroppar).
Vid den tiden var Einsteins fotoelektriska effekt ett försök att förklara 'svartkroppsproblemet', där en svart kropp avger elektromagnetisk strålning på grund av objektets värme. Detta var ett ihållande problem i fysikens värld, som härrörde från upptäckten av elektronen, som bara hade hänt åtta år tidigare (tack vare brittiska fysiker ledda av J.J. Thompson och experiment med katodstrålerör ).
På den tiden trodde forskarna fortfarande att elektromagnetisk energi betedde sig som en våg och hoppades därför kunna förklara det i termer av klassisk fysik. Einsteins förklaring representerade ett brott med detta och hävdade att elektromagnetisk strålning betedde sig på ett sätt som överensstämde med en partikel - en kvantiserad form av ljus som han kallade 'fotoner'. För denna upptäckt tilldelades Einstein Nobelpriset 1921.
Våg-partikeldualitet:
Efterföljande teorier om ljusets beteende skulle ytterligare förfina denna idé, som inkluderade den franske fysikern Louis-Victor de Broglie som beräknade våglängden vid vilken ljuset fungerade. Detta följdes av Heisenbergs 'osäkerhetsprincip' (som angav att en noggrann mätning av en fotons position skulle störa mätningar av dess rörelsemängd och vice versa), och Schrödingers paradox som hävdade att alla partiklar har en 'vågfunktion'.
I enlighet med kvantmekanisk förklaring föreslog Schrodinger att all information om en partikel (i detta fall en foton) kodas i dessvågfunktion, en funktion med komplexa värden som är ungefär analog med amplituden för en våg vid varje punkt i rymden. På någon plats kommer mätningen av vågfunktionen slumpmässigt att 'kollapsera', eller snarare 'bryta samman', till en skarpt toppad funktion. Detta illustrerades i Schrödinger berömda paradox som involverade en stängd låda, en katt och en flaska med gift (känd som ' Schrödinger Cat” paradox).
Konstnärens intryck av två fotoner som färdas vid olika våglängder, vilket resulterar i olikfärgat ljus. Kredit: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Enligt hans teori utvecklas vågfunktionen också enligt en differentialekvation (aka. Schrödinger ekvation ). För partiklar med massa har denna ekvation lösningar; men för partiklar utan massa fanns ingen lösning. Ytterligare experiment som involverade dubbelslitsexperimentet bekräftade den dubbla naturen hos fotoner. där mätanordningar inkorporerades för att observera fotonerna när de passerade genom slitsarna.
När detta gjordes dök fotonerna upp i form av partiklar och deras nedslag på skärmen motsvarade slitsarna – små partikelstora fläckar fördelade i raka vertikala linjer. Genom att placera en observationsanordning på plats kollapsade fotonernas vågfunktion och ljuset betedde sig som klassiska partiklar igen. Som förutspått av Schrödinger, kunde detta endast lösas genom att hävda att ljus har en vågfunktion, och att observation av det gör att utbudet av beteendemöjligheter kollapsar till den punkt där dess beteende blir förutsägbart.
Utvecklingen av Quantum Field Theory (QFT) utformades under de följande decennierna för att lösa mycket av tvetydigheten kring våg-partikeldualitet. Och med tiden visade sig denna teori tillämpas på andra partiklar och grundläggande krafter för växelverkan (som svaga och starka kärnkrafter). Idag är fotoner en del av standardmodellen för partikelfysik, där de klassificeras som boson – en klass av subatomära partiklar som är kraftbärare och inte har någon massa.
Så hur färdas ljus? I grund och botten färdas med otroliga hastigheter (299 792 458 m/s) och med olika våglängder, beroende på dess energi. Den beter sig också som både en våg och en partikel, som kan fortplanta sig genom medier (som luft och vatten) såväl som rymden. Den har ingen massa, men kan fortfarande absorberas, reflekteras eller brytas om den kommer i kontakt med ett medium. Och i slutändan är det enda som verkligen kan avleda det, eller stoppa det, gravitationen (dvs ett svart hål).
Det vi har lärt oss om ljus och elektromagnetism har varit inneboende i den revolution som ägde rum inom fysiken i början av 1900-talet, en revolution som vi har brottats med sedan dess. Tack vare ansträngningarna från forskare som Maxwell, Planck, Einstein, Heisenberg och Schrodinger har vi lärt oss mycket, men har fortfarande mycket att lära.
Till exempel förblir dess interaktion med gravitationen (tillsammans med svaga och starka kärnkrafter) ett mysterium. Att låsa upp detta och därmed upptäcka en teori om allting (ToE) är något astronomer och fysiker ser fram emot. En dag kanske vi bara har listat ut allt!
Vi har skrivit många artiklar om ljus här på Universe Today. Till exempel, här är Hur snabb är ljusets hastighet? , Hur långt är ett ljusår? , Vad är Einsteins relativitetsteori?
Om du vill ha mer information om ljus, kolla in dessa artiklar från Hypertextboken i fysik och NASA Missionsvetenskap sida.
Vi har också spelat in ett helt avsnitt av Astronomy Cast som handlar om Interstellar Travel. Lyssna nu, Avsnitt 145: Interstellar Travel .