Хвильова природа світла: від перших теорій до сучасного розуміння
- Ігор Сальниченко
- 27 січ.
- Читати 5 хв
Світло впродовж століть залишалося одним із найзагадковіших явищ у природі. Питання про те, чи є воно хвилею, чи потоком частинок, цікавило найвизначніших учених різних епох. У цій статті розглянемо, як формувалося уявлення про хвильову природу світла, згадаємо ключові експерименти та науковців, які довели цю концепцію.
Історичний контекст
Історично перші фундаментальні спостереження про природу світла належать Ісааку Ньютону (1642–1727) та Хрістіану Гюйгенсу (1629–1695). Ньютон у своїй праці «Opticks» (1704) дотримувався думки, що світло складається з потоку найдрібніших частинок – корпускул. Його уява про світло як потік частинок гармоніювала з багатьма на той час експериментальними фактами, зокрема з прямолінійним поширенням і відбиванням світла, які можна було інтуїтивно пояснити тим, що частинки, рухаючись прямолінійно, відбиваються подібно до маленьких кульок. Величезний авторитет Ньютона в наукових колах і наявність експериментальних підтверджень для ряду оптичних явищ сприяли тому, що його корпускулярна теорія здобула значну популярність серед європейських науковців XVIII століття.
Водночас Хрістіан Гюйгенс у своєму трактаті «Traité de la lumière» (1690) впровадив ідею, що світло має хвильову модель та розглядається як хвилі, які поширюються в особливому середовищі – ефірі. Саме завдяки підходу Гюйгенса вдалося більш точно описати явище заломлення (рефракції) та дати часткові пояснення дифракції, вказуючи, що світлові хвилі можуть огинати перешкоди й утворювати складні картини поширення. Проте в часи, коли вчений опублікував свої роботи, ідеї Ньютона переважали настільки, що хвильова теорія Гюйгенса не набула поширеної підтримки. Лише у XIX столітті, завдяки новим вагомим експериментам, дослідники повернулися до хвильової концепції і зрозуміли, що вона здатна пояснити більше оптичних явищ, ніж корпускулярний підхід Ньютона. За даними «Encyclopedia Britannica» [1], обидві моделі мали свої переваги, проте вирішальні докази на користь хвильової природи світла з’явилися пізніше.
Одним із найпереконливіших аргументів стала робота Томаса Юнга (1773–1829). У 1801 році він продемонстрував свій знаменитий дослід з двома щілинами, пропускаючи світло через дві близько розташовані вузькі щілини та проектуючи результат на віддалений екран. Спостережувана картина чергування світлих і темних смуг отримала назву інтерференційного малюнка і стала прямим доказом того, що світло може поводитися як хвиля, яка при накладанні створює зони підсилення й послаблення інтенсивності. Такий результат важко, а радше неможливо пояснити, виходячи з уявлення лише про частинки: якщо припустити, що світло є потоком корпускул, вони б не утворювали систематичний візерунок смуг. Проте хвильова теорія дає чітку математичну модель, яка показує, як інтерференція виникає завдяки різниці ходу хвиль від обох щілин. Як зазначено у працях самого Юнга [2], саме такий експеримент став наріжним каменем для розвитку теорії хвильової природи світла.
Максвелл і електромагнітна природа світла
Революцію у розумінні світла завершив Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), коли у 1860–1870-х роках розробив свої знамениті рівняння електромагнітного поля, що вперше об’єднали електрику, магнетизм та оптику в єдину теорію. Завдяки цим рівнянням учений дійшов висновку, що змінні електричні й магнітні поля можуть поширюватися у просторі, утворюючи електромагнітні хвилі. Він розрахував швидкість таких хвиль і виявив, що вона дорівнює приблизно 3×10⁸ м/с, тобто швидкості світла у вакуумі. Цей факт став вирішальним доказом того, що саме світло є формою електромагнітного випромінювання і не потребує жодного ефіру чи іншого середовища для свого поширення. Як зазначається у «Feynman Lectures on Physics» [3], результати Максвелла остаточно утвердили ідею про те, що світло – це електромагнітна хвиля, і тим самим започаткували нову епоху в розвитку фізики, оскільки об’єднали дослідження електрики, магнетизму та оптики в єдиному теоретичному фундаменті.
Хвильова природа світла та фізичні явища, що її підтверджують
Інтерференція світла полягає у накладанні хвиль, внаслідок чого загальна інтенсивність може або посилюватися (при співфазному складанні хвиль), або послаблюватися (при протифазному). Це явище чітко демонструє, що світло не є просто потоком частинок, адже взаємодія хвильового фронту в різних точках простору може створювати складні картини світлих і темних зон. Особливо виразно інтерференція спостерігається у досліді з двома щілинами, який провів Томас Юнг у 1801 році, адже отриманий малюнок смуг різної яскравості можна пояснити лише закономірностями хвильового накладання.
Дифракція виникає тоді, коли світловий пучок «огинає» краї невеликих перешкод чи отворів, утворюючи характерні дифракційні картини. З точки зору корпускулярної теорії, маленькі частинки мали б рухатися у певному вузькому напрямку і не створювати складних рисунків інтенсивності. Натомість хвильова теорія дає змогу точно описати, як фронт світлової хвилі розділяється, переформовується і знову накладається після проходження різними ділянками отворів чи перешкод.
Поляризація свідчить про поперечну природу світла. У разі поперечних хвиль вектор коливань (у цьому випадку електричне поле) перпендикулярний напрямку поширення. Коли світловий пучок проходить через поляризатор, він відсікає всі коливання, орієнтовані поза визначеною площиною. Це пояснює, чому після такого «відсіювання» світло може втрачати частину інтенсивності та набувати певного «спрямованого» характеру коливань, що неможливо було б зрозуміти, виходячи виключно з уявлення про потік корпускул.
Заломлення (рефракція) дає змогу побачити, як при переході світла з одного середовища в інше змінюється і швидкість, і напрям поширення. Тут діє відомий закон Снелліуса, який пов’язує кути падіння та заломлення з відношенням індексів заломлення двох середовищ. Хвильова теорія дозволяє математично описати, як змінюється довжина хвилі при переході в інше середовище і чому відбувається «поворот» напрямку світлового променя. Якщо ж вважати, що світло – це виключно потік частинок, то пояснити настільки точну залежність напрямку заломлення від швидкості поширення в різних середовищах було б надзвичайно складно.
Усі ці явища – інтерференція, дифракція, поляризація та заломлення – дають незаперечні докази того, що світло поводиться як хвиля і в багатьох випадках потребує саме хвильового опису для адекватного пояснення складних оптичних ефектів. Саме хвильова природа світла найповніше описує механізми формування та розповсюдження світлового випромінювання у різних середовищах[4].
Висновки
Хвильова природа світла була остаточно підтверджена завдяки експериментам Томаса Юнга, теоретичним обґрунтуванням Хрістіана Гюйгенса і електромагнітній концепції Джеймса Клерка Максвелла. Сьогодні визнано, що світло поєднує у собі як хвильові, так і корпускулярні властивості, однак саме хвильова модель пояснює низку ключових оптичних феноменів, включаючи інтерференцію, дифракцію та поляризацію. Без розуміння хвильових аспектів світла ми не змогли б ані створити цілісну теорію оптики, ані побудувати фундамент електромагнетизму, на якому базується значна частина сучасних технологій.
Джерела:
1. Encyclopedia Britannica. Light [Електронний ресурс] // Encyclopedia Britannica. – Режим доступу: https://www.britannica.com/science/light – Дата звернення: 26.01.2025.
2. Young, T. The Bakerian Lecture: On the Theory of Light and Colours // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. – 1802. – Vol. 92. – P. 12–48. – Режим доступу: https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rstl.1802.0004 – Дата звернення: 26.01.2025.
3. Feynman, R., Leighton, R., Sands, M. The Feynman Lectures on Physics. – Addison-Wesley, 1963. – Режим доступу: https://www.feynmanlectures.caltech.edu/ – Дата звернення: 26.01.2025.
4. Serway, R. A., Jewett, J. W. Physics for Scientists and Engineers. – Cengage Learning, 2014. – Режим доступу: https://www.cengage.com/search/productOverview.do?N=16&Ntk=APG&Ntt=9781133947271 – Дата звернення: 26.01.2025.
Comments