Kas ir gaisma? Šis jautājums ir interesējis cilvēci visos laikmetos, taču tikai mūsu ēras 20. gadsimtā bija iespējams daudz noskaidrot par šīs parādības būtību. Šajā rakstā galvenā uzmanība tiks pievērsta korpuskulārajai gaismas teorijai, tās priekšrocībām un trūkumiem.
No senajiem filozofiem līdz Kristianam Haigensam un Īzakam Ņūtonam
Daži pierādījumi, kas ir saglabājušies līdz mūsdienām, liecina, ka cilvēki sāka interesēties par gaismas dabu Senajā Ēģiptē un Senajā Grieķijā. Sākumā tika uzskatīts, ka objekti izstaro sevis attēlus. Pēdējie, nonākot cilvēka acī, rada priekšstatu par objektu redzamību.
Tad Grieķijā filozofiskās domas veidošanās laikā parādījās jauna Aristoteļa teorija, kas uzskatīja, ka katrs cilvēks no acīm izdala kādus starus, pateicoties kuriem var "sajust" priekšmetus.
Viduslaiki nekādu skaidrību izskatāmajā jautājumā neieviesa, jauni sasniegumi nāca tikai līdz ar renesansi un revolūciju zinātnē. Jo īpaši 17. gadsimta otrajā pusē parādījās divas pilnīgi pretējas teorijas, kuru mērķis bijaizskaidro ar gaismu saistītās parādības. Mēs runājam par Christian Huygens viļņu teoriju un Īzaka Ņūtona korpuskulāro teoriju.
Neskatoties uz dažiem viļņu teorijas panākumiem, tai joprojām bija vairāki svarīgi trūkumi:
- ticēja, ka gaisma izplatās ēterī, ko neviens nekad nav atklājis;
- viļņu šķērsvirziena raksturs nozīmēja, ka ēterim bija jābūt cietai videi.
Ņemot vērā šīs nepilnības, kā arī ņemot vērā Ņūtona milzīgo autoritāti tajā laikā, daļiņu-ķermeņu teorija zinātnieku aprindās tika pieņemta vienbalsīgi.
Gaismas korpuskulārās teorijas būtība
Ņūtona ideja ir maksimāli vienkārša: ja visus ķermeņus un procesus ap mums apraksta klasiskās mehānikas likumi, kuros piedalās ierobežotas masas ķermeņi, tad arī gaisma ir mazas daļiņas jeb asinsķermenīši. Viņi pārvietojas telpā ar noteiktu ātrumu, ja satiekas ar šķērsli, viņi no tā atspīd. Pēdējais, piemēram, izskaidro ēnas esamību uz objekta. Šīs idejas par gaismu pastāvēja līdz 19. gadsimta sākumam, tas ir, apmēram 150 gadus.
Interesanti atzīmēt, ka Lomonosovs 18. gadsimta vidū izmantoja Ņūtona korpuskulāro teoriju, lai izskaidrotu gāzu uzvedību, kas aprakstīta viņa darbā "Matemātiskās ķīmijas elementi". Lomonosovs uzskatīja, ka gāze sastāv no asinsķermenīšu daļiņām.
Ko izskaidroja Ņūtona teorija?
Izstrādātās idejas par gaismumilzīgs solis tās būtības izpratnē. Ņūtona teorija par asinsķermenīšiem spēja izskaidrot šādas parādības:
- Gaismas taisnvirziena izplatīšanās viendabīgā vidē. Patiešām, ja uz kustīgu gaismas korpusu neiedarbojas ārēji spēki, tad tā stāvokli veiksmīgi apraksta pirmais Ņūtona klasiskās mehānikas likums.
- Atspoguļošanas fenomens. Saskaroties ar saskarni starp diviem nesējiem, korpuskulis piedzīvo absolūti elastīgu sadursmi, kā rezultātā saglabājas tā impulsa modulis, un pats tas tiek atspoguļots leņķī, kas vienāds ar krišanas leņķi.
- Refrakcijas parādība. Ņūtons uzskatīja, ka, iekļūstot blīvākā vidē no mazāk blīvas (piemēram, no gaisa ūdenī), korpuss paātrinās blīvās vides molekulu piesaistes dēļ. Šis paātrinājums noved pie tā trajektorijas izmaiņām, kas ir tuvāk normālai, tas ir, tiek novērots refrakcijas efekts.
- Ziedu esamība. Teorijas radītājs uzskatīja, ka katra novērotā krāsa atbilst savam "krāsu" korpusam.
Pateiktās teorijas problēmas un atgriešanās pie Haigensa idejas
Tie sāka parādīties, kad tika atklāti jauni ar gaismu saistīti efekti. Galvenās no tām ir difrakcija (novirze no gaismas taisnvirziena izplatīšanās, kad stars iziet cauri spraugai) un interference (Ņūtona gredzenu parādība). Līdz ar šo gaismas īpašību atklāšanu, fiziķi 19. gadsimtā sāka atsaukt atmiņā Huigensa darbus.
Tajā pašā 19. gadsimtā Faradejs un Lencs pētīja mainīgo elektrisko (magnētisko) lauku īpašības unMaksvels veica atbilstošos aprēķinus. Rezultātā tika pierādīts, ka gaisma ir elektromagnētisks šķērsvilnis, kura pastāvēšanai nav nepieciešams ēteris, jo to veidojošie lauki izplatīšanās procesā ģenerē viens otru.
Jauni atklājumi saistībā ar gaismu un Maksa Planka ideju
Šķiet, ka Ņūtona korpuskulārā teorija jau ir pilnībā apglabāta, taču 20. gadsimta sākumā parādās jauni rezultāti: izrādās, ka gaisma var "izvilkt" no matērijas elektronus un izdarīt spiedienu uz ķermeņiem uzkrīt tiem. Šīs parādības, kurām tika pievienots nesaprotams melna ķermeņa spektrs, viļņu teorija izrādījās bezspēcīga.
Risinājumu atrada Makss Planks. Viņš ierosināja, ka gaisma mijiedarbojas ar matērijas atomiem mazu porciju veidā, ko viņš sauca par fotoniem. Fotona enerģiju var noteikt pēc formulas:
E=hv.
Kur v - fotonu frekvence, h - Planka konstante. Makss Planks, pateicoties šai gaismas idejai, ielika pamatus kvantu mehānikas attīstībai.
Izmantojot Planka ideju, Alberts Einšteins izskaidro fotoelektriskā efekta fenomenu 1905. gadā, Nīls Bors 1912. gadā sniedz pamatojumu atomu emisijas un absorbcijas spektriem, un Komptons 1922. gadā atklāj efektu, kas tagad ir nosaukts viņa vārdā. Turklāt Einšteina izstrādātā relativitātes teorija skaidroja gravitācijas lomu novirzē no gaismas stara lineārās izplatīšanās.
Tādējādi šo 20. gadsimta sākuma zinātnieku darbs atdzīvināja Ņūtona idejas pargaisma 17. gadsimtā.
Gaismas korpuskulāro viļņu teorija
Kas ir gaisma? Vai tā ir daļiņa vai vilnis? Izplatoties vidē vai bezgaisa telpā, gaisma uzrāda viļņa īpašības. Ja ņem vērā tā mijiedarbību ar vielu, tā uzvedas kā materiāla daļiņa. Tāpēc šobrīd attiecībā uz gaismu pieņemts runāt par tās īpašību duālismu, kas aprakstītas korpuskulāro viļņu teorijas ietvaros.
Gaismas daļiņa - fotonam miera stāvoklī nav ne lādiņa, ne masas. Tās galvenā īpašība ir enerģija (vai frekvence, kas ir tas pats, ja pievēršat uzmanību iepriekš minētajam izteicienam). Fotons ir kvantu mehānisks objekts, tāpat kā jebkura elementāra daļiņa (elektrons, protons, neitrons), tāpēc tam ir impulss, it kā tā būtu daļiņa, bet to nevar lokalizēt (noteikt precīzas koordinātas), it kā tas būtu vilnis.
