Что такое свет?

Этот вопрос рано или поздно возникает у каждого ребёнка, и ответ на него искали философы и учёные на протяжении многих столетий. К началу XX века мы получили наконец научно обоснованный ответ на этот вопрос.

Свет – это довольно узкий диапазон электромагнитных волн (что такое электромагнитные волны, мы чуть ниже обсудим). Длины световых волн очень малы – меньше размеров пылинок, поэтому их измеряют в нанометрах, то есть в миллиардных долях метра. Итак, для видимого света длины волн находятся в диапазоне примерно от 400 до 750 нанометров (сокращённо нм). По своим физическим характеристикам волны светового диапазона ничем принципиально не отличаются от волн соседних участков электромагнитного спектра. Самые короткие световые волны (менее 480 нм) соответствуют фиолетовому свету, самые длинные (более 620 нм) – красному. Только представьте: в одном миллиметре укладывается 2500 длин волн фиолетового света или 1300 длин волн красного.

Столь малые длины волн долго «скрывали» от учёных волновые свойства света, не позволяя заметить типичные для волн любой природы явления интерференции (когда при наложении волн одинаковой частоты в одних точках пространства они гасят друг друга, а в других – усиливают) и дифракции (способности волн огибать преграды и попадать в область геометрической тени).

Когда вы любуетесь радужной окраской мыльных пузырей или цветными переливами бензиновых плёнок на воде, вы наблюдаете явление интерференции света: в зависимости от переменчивой толщины плёнки где-то произошло усиление голубых световых волн, отраженных от верхней и нижней поверхностей плёнки и наложенных друг на друга, а где-то – красных… а когда вы видите «радугу» на компакт-диске, поднесённом к лампе, вы встречаетесь с явлением дифракции.

Во второй половине XVII века Ньютон экспериментально доказал, что белый свет состоит из набора чистых цветов: от красного до фиолетового. Он раскладывал белый свет в цветную радужную полоску (спектр) с помощью призмы и соединял затем все цвета обратно в белый свет. Вы наверняка видели, как солнечный свет, пройдя сквозь гранёный стакан на столе или призматическую подвеску люстры, рождает радужные полоски на столе или на стене – это и есть разложение белого света в спектр. Если выделить из спектра белого света одноцветный пучок (например, с помощью щели), то никаких дальнейших превращений его цвета при прохождении через оптические системы уже не происходит. Такой спектрально чистый цвет называют монохроматическим (то есть «одноцветным»).

Ньютон полагал, что свет – это скорее частицы (корпускулы), нежели волны. Но в первой половине XIX века Юнг, Френель и другие физики убедительно продемонстрировали волновые свойства света – интерференцию и дифракцию. К концу XIX века, благодаря теории электромагнитных полей Максвелла и экспериментам Генриха Герца, была доказана электромагнитная природа световых волн и измерена их скорость: 300 тысяч км в секунду (в пустоте). Однако в начале XX века выяснилось, что Ньютон не так уж и заблуждался: в некоторых явлениях свет ведёт себя именно как поток неделимых частиц. Их назвали фотонами.

Наиболее явно корпускулярные свойства света проявляются в явлении фотоэффекта – выбивания светом электронов с поверхности металлов. При освещении полупроводников наблюдается внутренний фотоэффект: фотоны отрывают электроны от атомов, но освобожденные электроны не покидают полупроводник, который благодаря им получает способность хорошо проводить ток. Внутренний фотоэффект лежит в основе работы солнечных батарей.

Такое двойственное поведение света – и как волн, и как частиц – поставило физиков в тупик. В итоге они смирились с таким странным поведением света и назвали это корпускулярно-волновым дуализмом (хотя до сих пор мы не можем наглядно объяснить такое свойство). Оказалось, что в этом смысле фотоны ничем не отличаются от других объектов микромира, которые тоже в каких-то явлениях ведут себя как волны, а в других – как частицы.