Почему свет это электромагнитная волна

Электромагнитная теория света

Классическая электромагнитная теория света (волновая теория света) является одной из ключевых теорий в физике, которая объясняет природу света и его взаимодействие с материей. Она устанавливает связь между электрическими и магнитными полями и распространением света как электромагнитной волны.

Основной постулат электромагнитной теории света заключается в том, что свет — это электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве с определенной скоростью. Эта теория была развита в результате исследований Джеймса Клерка Максвелла в 19 веке.

Учебный лабораторный стенд для изучения характеристик и схем подключения различных электрических источников света

В основе электромагнитной теории света лежат следующие ключевые идеи:

• Все заряженные частицы, будь то электроны или протоны, создают электрическое поле вокруг себя. Это электрическое поле описывается величиной, называемой электрическим зарядом. Изменения в электрическом поле вызывают электрические силы и взаимодействия между заряженными частицами.
• Ток, который представляет движение заряженных частиц, создает магнитное поле вокруг проводника. Магнитное поле порождается изменением электрического поля и взаимодействует с другими магнитными полями и заряженными частицами.
• Максвелл установил, что электрическое поле изменяется в пространстве и времени, вызывая появление магнитного поля. В свою очередь, изменения в магнитном поле порождают электрическое поле. Таким образом, электрические и магнитные поля взаимосвязаны и взаимодействуют друг с другом.
• По мере распространения электрических и магнитных полей в пространстве они создают электромагнитную волну, которая является переносчиком электромагнитной энергии и информации.
• Электромагнитные волны могут иметь различные частоты и длины волн, и их поведение определяется уравнениями Максвелла, которые описывают взаимодействие электрических и магнитных полей (смотрите — История открытия электромагнитного и его физические свойства).

Важным результатом электромагнитной теории света является вывод о том, что свет является электромагнитной волной. Световые волны могут распространяться в вакууме со скоростью света, которая составляет примерно 299 792 458 метров в секунду. Они могут иметь различные длины волн, что определяет их цветовые свойства.

Свет — это электромагнитное излучение, видимое для человеческого глаза. Он состоит из маленьких энергетических частиц, называемых фотонами, которые распространяются в виде волн. Свет имеет волновую природу, и его волны распространяются в пространстве, подобно волнам на воде. Свет возникает, когда электроны в атомах или молекулах переходят на более высокие или более низкие энергетические уровни. Когда электроны возвращаются на свои исходные энергетические уровни, они испускают энергию в виде фотонов света определенной длины волны.

С помощью электромагнитной теории света можно объяснить множество явлений, связанных со светом и его взаимодействием с материей. Например, отражение и преломление света, дисперсия (распределение света по спектру) и интерференция (взаимодействие волн) могут быть объяснены с помощью электромагнитной теории света.

Электромагнитная теория света позволяет понять различные оптические явления и она является основой для развития различных областей науки и техники, связанных с использованием света, включая оптические приборы, лазеры, оптоволокно и фотонику.

Подключение натриевой лампы высокого давления

Классическая электромагнитная теория света (волновая теория света) играет важную роль в понимании и объяснении природы света и его взаимодействия с окружающим миром. Она предоставляет фундаментальную основу для развития светотехники, светодизайна, оптики, фотоники и других дисциплин, связанных с изучением и применением света.

Световые волны

Итак, световые волны имеют ту же природу, что и радиоволны. Подобно источнику света, антенна передающей радиостанции излучает во все стороны электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью 155 300 000 км/сек. Эти волны, однако, не воспринимаются нашим глазом.

Скорость распространения света в пустоте равна 300 000 км/сек. Скорость света в воздухе практически не отличается от скорости в пустоте, в стекле она равна 200 000 км/сек, в воде 225 000 км/сек.

Длины световых волн очень малы. Их можно измерить в лаборатории, применяя специальную аппаратуру. Красная часть спектра, простирается до длин волн приблизительно в 0,0008 мм, фиолетовая — до 0,0004 мм.

Отдельные цвета отличаются друг от друга длиной световой волны. Каждому цвету соответствует вполне определенная длина волны.

Белый свет можно разложить на все цвета от красного до фиолетового, т. е. на волны длиной от 0,0008 до 0,0004 мм. Длины световых волн видимой области спектра: 0,0008 — 0,0004 мм.

Световые волны возникают в результате периодических движений мельчайших электрически заряженных частичек (электронов) внутри атомов светящегося тела.

Как связаны электромагнитная теория света и электрическое освещение

Электромагнитная теория света является основой для понимания и объяснения явлений, связанных с распространением света и его взаимодействием с материей.

Она описывает свет как электромагнитную волну, которая состоит из электрического и магнитного поля, колеблющихся перпендикулярно друг другу и распространяющихся в пространстве.

Электрическое освещение, в свою очередь, является процессом использования искусственного света для освещения помещений, объектов и поверхностей. Оно играет важную роль в нашей повседневной жизни, обеспечивая нам комфортное и безопасное окружение.

Связь между электромагнитной теорией света и электрическим освещением заключается в том, что электрический ток, протекающий через проводники, создает электрическое поле, которое в свою очередь взаимодействует с электромагнитными волнами и их распространением.

Учебный лабораторный стенд для изучения схем подключения бытовых источников света, электрических розеток и выключателей

В электрическом освещении применяются различные источники света, такие как лампы накаливания, люминесцентные лампы, газоразрядные лампы высокого давления, светодиоды и т.д. Все они основаны на использовании электрического тока, который приводит к излучению энергии в виде световых волн.

Например, в случае лампы накаливания, электрический ток протекает через нить накаливания, нагревая ее до высокой температуры и вызывая излучение видимого света.

В случае светодиодов, электрический ток приводит к электронным переходам в полупроводниковом материале, что вызывает излучение света определенной длины волны.

Таким образом, электромагнитная теория света обеспечивает физическое объяснение процессов, связанных с электрическим освещением. Она помогает понять, как источники света, светотехнические приборы и другие компоненты системы освещения взаимодействуют между собой и с окружающей средой, чтобы создать нужную освещенность и обеспечить качественные показатели освещения.

А здесь смотрите что такое свет подробно с примерами и картинками: Физическая природа света и цвета

Присоединяйтесь к нашему каналу в Telegram «Современное освещение» и погружайтесь в мир инновационных технологий и стильного дизайна света! Подписывайтесь, чтобы быть в курсе последних трендов: Современное освещение в Telegram

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Световые волны — природа понимания, о сновные свойства

Как и океанские волны, световые волны имеют измеримую длину, высоту, продолжительность или частоту. Солнечный свет содержит непрерывное распределение длин волн. Когда они расположены от длинных до коротких волн (от низких до высоких частот), они образуют часть электромагнитного спектра. Спектр делится на три части: ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный. Все три длины волны могут вызвать повреждение. Различные материалы и разные цвета поглощают больше энергии, чем другие материалы и цвета.

Полезные статьи:

Частицы

Легкие частицы называются фотонами. Свет — это набор частиц, очень быстро движущихся в одном направлении. Представьте себе воду, которая брызгает из шланга.

Фотоны — это маленькие энергетические пакеты. Когда они попадают в объект, энергия передается, возбуждая электроны в объекте. Если фотон содержит нужное количество энергии, связи между атомами разрываются. Вот как свет выцветает, ослабляет некоторые материалы и вызывает другие повреждения.

Зрение, особенности восприятия

Чтобы видеть, нужен свет и рецептор — ваши глаза. То, что вы видите, — это свет, отраженный от объекта. Часть видимого света поглощается объектом. Синий объект отражает синюю часть спектра, поглощая свет других цветов.

Интенсивность света, количество света, отражаемого объектом, и способность глаза воспринимать свет — все это влияет на наше восприятие яркости. Стареющие глаза менее гибкие и менее способны приспосабливаться к быстрым изменениям освещения.

Если вы войдете в галерею из яркого помещения, например атриума, экспонаты могут выглядеть тусклыми. Всем глазам требуется больше времени, чтобы акклиматизироваться от яркого к темному, чем от темного к яркому.

Свет излучается источником волнами. Каждая волна состоит из двух частей; электрическая часть и магнитная часть. Вот почему свет называется электромагнитным излучением.

Мозг — обработка данных

Наш мозг интерпретирует световые волны, присваивая разные цвета разным длинам волн, но большая часть света во Вселенной распространяется с длинами волн, слишком короткими или слишком длинными, чтобы человеческий глаз мог их обнаружить. Самые длинные волны — это инфракрасная, микроволновая и радиочастотная части спектра. Самыми короткими длинами волн спектра являются ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Видимая часть — очень небольшая часть электромагнитного спектра.

Немного математики и истории

Длины волн обычно измеряются в миллиардных долях метра (нанометрах) или 10 миллиардных долях метра (Ангстремы). Расстояние от пика одной волны до пика следующей. Люди могут видеть волны с длиной волны примерно от 700 нм, которая кажется темно-красной, до примерно 400 нм, которая выглядит фиолетовой. Свет с короткими длинами волн (фиолетовый) несет больше энергии, чем свет с длинными волнами (красный).

В 1704 году сэр Исаак Ньютон опубликовал книгу под названием «Оптика», в которой объяснялись некоторые загадки света. Ньютон показал, что солнечный свет представляет собой смесь непрерывного спектра цветов. Белый свет от Солнца можно пропустить через стеклянную призму и разбить на все цвета радуги. Он даже пропустил цветной спектр через вторую призму, которая снова собрала его в белый свет.

Свет — это электромагнитные волны и не только

Электромагнитное излучение — один из многих способов перемещения энергии в космосе. Тепло от горящего огня, свет солнца, рентгеновские лучи, используемые вашим врачом, а также энергия, используемая для приготовления пищи в микроволновой печи, — все это формы электромагнитного излучения. Хотя эти формы энергии могут показаться совершенно разными, они связаны тем, что все обладают волнообразными свойствами.

Если вы когда-нибудь купались в океане, вы уже знакомы с волнами. Волны — это просто возмущения в определенной физической среде или поле, приводящие к вибрации или колебаниям. Набухание волны в океане и последующее за ним падение — это просто вибрация или колебание воды на поверхности океана. Электромагнитные волны похожи, но они также отличаются тем, что на самом деле состоят из волны, колеблющиеся перпендикулярно друг другу. Одна из волн — колеблющееся магнитное поле; другой — колеблющееся электрическое поле.

Электромагнитное излучение можно представить в виде колеблющегося электрического поля (колеблющегося в плоскости страницы / экрана компьютера) и перпендикулярного (в данном случае колеблющегося на странице и вне ее) магнитного поля. Ось Y — амплитуда, а ось X — расстояние в пространстве.

Хотя хорошо иметь базовое представление о том, что такое электромагнитное излучение, большинство химиков меньше интересуются физикой, лежащей в основе этого типа энергии, и гораздо больше интересуются тем, как эти волны взаимодействуют с веществом. В частности, химики изучают, как различные формы электромагнитного излучения взаимодействуют с атомами и молекулами. Из этих взаимодействий химик может получить информацию о структуре молекулы, а также о типах химических связей, которые она содержит. Однако прежде чем мы поговорим об этом, необходимо поговорить немного подробнее о физических свойствах световых волн.

Электромагнитный спектр световых волн

Электромагнитные волны можно классифицировать и упорядочивать в соответствии с их различными длинами волн / частотами; эта классификация известна как электромагнитный спектр. Следующая таблица показывает нам этот спектр, который состоит из всех типов электромагнитного излучения, существующих в нашей Вселенной.

Электромагнитный спектр состоит из всех видов излучения Вселенной. Гамма-лучи имеют самую высокую частоту, а радиоволны — самую низкую. Видимый свет находится примерно в середине спектра и составляет очень небольшую часть всего спектра.

Как мы видим, видимый спектр, то есть свет, который мы можем видеть своими глазами, составляет лишь небольшую часть различных типов излучения, которые существуют. Справа от видимого спектра мы находим типы энергии, которые имеют более низкую частоту (и, следовательно, большую длину волны), чем видимый свет. Эти типы энергии включают инфракрасные (ИК) лучи (тепловые волны, излучаемые тепловыми телами), микроволны и радиоволны. Эти типы излучения постоянно окружают нас и не являются вредными, потому что их частота очень мала. Как мы увидим в разделе «фотон», более низкочастотные волны имеют меньшую энергию и, следовательно, не опасны для нашего здоровья.

Слева от видимого спектра находятся ультрафиолетовые (УФ) лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Эти типы излучения вредны для живых организмов из-за их чрезвычайно высоких частот (и, следовательно, высоких энергий). Именно по этой причине мы используем лосьон для загара на пляже (чтобы заблокировать УФ-лучи от солнца), и поэтому рентгенолог поместит на нас свинцовый щит, чтобы предотвратить проникновение рентгеновских лучей во что-либо другое. чем отображаемая область нашего тела. Гамма-лучи, будучи наивысшими по частоте и энергии, являются наиболее разрушительными. К счастью, наша атмосфера поглощает гамма-лучи из космоса, тем самым защищая нас от вреда.

Далее мы поговорим о взаимосвязи между частотой волны и ее энергией.

Двойственная природа света, история в деталях

Мы уже описали, как свет распространяется в пространстве в виде волны. Это было хорошо известно довольно давно. Фактически, голландский физик Христиан Гюйгенс впервые описал волновую природу света еще в конце семнадцатого века. Спустя годы после Гюйгенса физики предположили, что световые волны и материя совершенно отличны друг от друга. Согласно классической физике, материя состоит из частиц, обладающих массой, положение которых в пространстве может быть известно; световые волны, с другой стороны, считались имеющими нулевую массу, и их положение в пространстве не могло быть определено. Поскольку они относились к разным категориям, ученые не имели хорошего понимания того, как взаимодействуют свет и материя. Все изменилось, когда физик Макс Планк начал изучать черные тела — тела, нагретые до тех пор, пока они не начали светиться.

Двумерное представление волны. Амплитуда — это расстояние от его центральной оси (обозначенной красной линией) до вершины гребня. Длина волны — это расстояние от гребня до гребня или от впадины до впадины.

Имейте в виду, что некоторые волны (включая электромагнитные волны) также колеблются в пространстве, и поэтому они колеблются в заданном месте с течением времени. Величина, известная как частота волны, относится к числу полных длин волн, которые проходят через данную точку в пространстве каждую секунду.

Позже другие астрономы и физики открыли новые способы использования спектра для анализа света. Они обнаружили, что свет от любого источника, будь то свеча или звезда, состоит из комбинации длин волн в зависимости от того, какие атомы и молекулы излучают свет. Эта наука (спектроскопия) позволяет астрономам определять, какие элементы должны присутствовать на поверхности данной звезды.

Планк обнаружил, что электромагнитное излучение, испускаемое черными телами, нельзя объяснить классической физикой, которая постулировала, что материя может поглощать или излучать любое количество электромагнитного излучения. Планк заметил, что вещество фактически поглощает или излучает энергию только в целых числах. Это было шокирующее открытие, потому что оно поставило под сомнение идею о том, что энергия непрерывна и может передаваться в любом количестве. Реальность, которую обнаружил Планк, заключается в том, что энергия не является непрерывной, а квантованной, что означает, что она может передаваться только отдельными «пакетами» (или частицами). Каждый из этих энергетических пакетов известен как квант (множественное число: кванты).

Открытие Планка квантования электромагнитного излучения навсегда изменило представление о том, что свет ведет себя исключительно как волна. На самом деле свет, казалось, обладал как волнообразными, так и частицеобразными свойствами.

Фотон

Открытия Планка проложили путь к открытию фотона. Фотон — это элементарная частица или квант света. Как мы скоро увидим, фотоны могут поглощаться или испускаться атомами и молекулами. Когда фотон поглощается, его энергия передается этому атому или молекуле. Поскольку энергия квантуется, передается вся энергия фотона (помните, что мы не можем передавать доли квантов, которые являются наименьшими возможными отдельными «энергетическими пакетами»). Верно и обратное этому процессу. Когда атом или молекула теряют энергию, они испускают фотон, который несет энергию, точно равную потерям энергии атома или молекулы. Это изменение энергии прямо пропорционально частоте испускаемого или поглощаемого фотона.

Заключение

Электромагнитное излучение можно описать его амплитудой (яркостью), длиной волны, частотой и периодом. В начале двадцатого века открытие квантования энергии привело к открытию, что свет — это не только волна, но также может быть описан как совокупность частиц, известных как фотоны. Фотоны несут дискретные количества энергии, называемые квантами. Эта энергия может передаваться атомам и молекулам при поглощении фотонов. Атомы и молекулы также могут терять энергию из-за испускания фотонов.

Давайте разберемся: что же такое свет?

Он вокруг нас и позволяет нам видеть мир. Но спросите любого из нас, и большинство не сможет объяснить, что такое на самом деле этот свет. Свет помогает нам понимать мир, в котором мы живем. Наш язык это отражает: во тьме мы передвигаемся на ощупь, свет мы начинаем видеть вместе с наступлением зари. И все же мы далеки от полного понимания света. Если вы приблизите луч света, что в нем будет? Да, свет движется невероятно быстро, но разве его нельзя применить для путешествий? И так далее и тому подобное.

Конечно, все должно быть не так. Свет озадачивает лучшие умы на протяжении веков, но знаковые открытия, совершенные за последние 150 лет, постепенно приоткрывали завесу тайны над этой загадкой. Теперь мы более-менее понимаем, что она такое.

Физики современности не только постигают природу света, но и пытаются управлять ей с беспрецедентной точностью — и значит, свет очень скоро можно заставить работать самым удивительным способом. По этой причине Организация Объединенных Наций провозгласила 2015 году Международным годом Света.

Свет можно описать всевозможными способами. Но начать стоит с этого: свет — это форма излучения (радиации). И в этом сравнении есть смысл. Мы знаем, что избыток солнечного света может вызвать рак кожи. Мы также знаем, что радиационное облучение может вызвать риск развития некоторых форм рака; нетрудно провести параллели.

Но не все формы излучения одинаковы. В конце 19 века ученые смогли определить точную суть светового излучения. И что самое странное, это открытие пришло не в процессе изучения света, а вышло из десятилетий работы над природой электричества и магнетизма.

Электричество и магнетизм кажутся совершенно разными вещами. Но ученые вроде Ганса Христиана Эрстеда и Майкла Фарадея установили, что те глубоко переплетаются. Эрстед обнаружил, что электрический ток, проходящий через провод, отклоняет иглу магнитного компаса. Между тем, Фарадей обнаружил, что перемещение магнита вблизи провода может генерировать электрический ток в проводе.

Математики того дня использовали эти наблюдения для создания теории, описывающей это странное новое явление, которое они назвали «электромагнетизм». Но только Джеймс Клерк Максвелл смог описать полную картину.

Вклад Максвелла в науку сложно переоценить. Альберт Эйнштейн, который вдохновлялся Максвеллом, говорил, что тот изменил мир навсегда. Среди прочих вещей, его вычисления помогли нам понять, что такое свет.

Максвелл показал, что электрические и магнитные поля передвигаются в виде волн, и эти волны движутся со скоростью света. Это позволило Максвеллу предсказать, что свет сам по себе переносится электромагнитными волнами — и это означает, что свет является формой электромагнитного излучения.

В конце 1880-х, через несколько лет после смерти Максвелла, немецкий физик Генрих Герц первым официально продемонстрировал, что теоретическая концепция электромагнитной волны Максвелла была верной.

«Я уверен, что если бы Максвелл и Герц жили в эпоху Нобелевской премии, они бы точно одну получили», — говорит Грэм Холл из Университета Абердина в Великобритании — где работал Максвелл в конце 1850-х.

Максвелл занимает место в анналах науки о свете по другой, более практической причине. В 1861 году он обнародовал первую устойчивую цветную фотографию, полученную с использованием системы трехцветного фильтра, которая заложила основу для многих форм цветной фотографии сегодня.

Сама фраза о том, что свет является формой электромагнитного излучения, многого не говорит. Но помогает описать то, что мы все понимаем: свет — это спектр цветов. Это наблюдение восходит еще к работам Исаака Ньютона. Мы видим цветовой спектр во всей его красе, когда радуга всходит на небе — и эти цвета напрямую связаны с максвелловским понятием электромагнитных волн.

Красный свет на одном конце радуги — это электромагнитное излучение с длиной волны от 620 до 750 нанометров; фиолетовый цвет на другом конце — излучение с длиной волны от 380 до 450 нм. Но в электромагнитном излучении есть и больше, чем видимые цвета. Свет с длиной волны длиннее красного мы называем инфракрасным. Свет с длиной волны короче фиолетового называем ультрафиолетовым. Многие животные могут видеть в ультрафиолетовом, некоторые люди тоже, говорит Элефтериос Гулильмакис из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге, Германия. В некоторых случаях люди видят даже инфракрасный. Возможно, поэтому нас не удивляет, что ультрафиолетовый и инфракрасный мы называем формами света.

Любопытно, однако, что если длины волн становятся еще короче или длиннее, мы перестаем называть их «светом». За пределами ультрафиолетового, электромагнитные волны могут быть короче 100 нм. Это царство рентгеновских и гамма-лучей. Вы когда-нибудь слышали, чтобы рентгеновские лучи называли формой света?

«Ученый не скажет «я просвечиваю объект рентгеновским светом». Он скажет «я использую рентгеновские лучи», — говорит Гулильмакис.

Между тем, за пределами инфракрасных и электромагнитных длин волны вытягиваются до 1 см и даже до тысяч километров. Такие электромагнитные волны получили названия микроволн или радиоволн. Кому-то может показаться странным воспринимать радиоволны как свет.

«Нет особой физической разницы между радиоволнами и видимым светом с точки зрения физики, — говорит Гулильмакис. — Вы будете описывать их одними и теми же уравнениями и математикой». Только наше повседневное восприятие различает их.

Таким образом, мы получаем другое определение света. Это очень узкий диапазон электромагнитного излучения, которое могут видеть наши глаза. Другими словами, свет — это субъективный ярлык, который мы используем только вследствие ограниченности наших органов чувств.

Если вам нужны более подробные доказательства того, насколько субъективно наше восприятие цвета, вспомните радугу. Большинство людей знают, что спектр света содержит семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. У нас даже есть удобные пословицы и поговорки про охотников, которые желают знать место нахождения фазана. Посмотрите на хорошую радугу и попробуйте разглядеть все семь. Это не удалось даже Ньютону. Ученые подозревают, что ученый разделил радугу на семь цветов, поскольку число «семь» было очень важным для древнего мира: семь нот, семь дней недели и т. п.

Работа Максвелла в области электромагнетизма завела нас дальше и показала, что видимый свет был частью широкого спектра радиации. Также стала понятна истинная природа света. На протяжении веков ученые пытались понять, какую на самом деле форму принимает свет на фундаментальных масштабах, пока движется от источника света к нашим глазам.

Некоторые считали, что свет движется в форме волн или ряби, через воздух или загадочный «эфир». Другие думали, что эта волновая модель ошибочна, и считали свет потоком крошечных частиц. Ньютон склонялся ко второму мнению, особенно после серии экспериментов, которые он провел со светом и зеркалами.

Он понял, что лучи света подчиняются строгим геометрическим правилам. Луч света, отраженный в зеркале, ведет себя подобно шарику, брошенному прямо в зеркало. Волны не обязательно будут двигаться по этим предсказуемым прямым линиям, предположил Ньютон, поэтому свет должен переноситься некоторой формой крошечных безмассовых частиц.

Проблема в том, что были в равной степени убедительные доказательства того, что свет представляет собой волну. Одна из самых наглядных демонстраций этого была проведено в 1801 году. Эксперимент с двойной щелью Томаса Юнга, в принципе, можно провести самостоятельно дома.

Возьмите лист толстого картона и аккуратно проделайте в нем два тонких вертикальных разреза. Затем возьмите источник «когерентного» света, который будет излучать свет только определенной длины волны: лазер отлично подойдет. Затем направьте свет на две щели, чтобы проходя их он падал на другую поверхность.

Вы ожидаете увидеть на второй поверхности две ярких вертикальных линии на тех местах, где свет прошел через щели. Но когда Юнг провел эксперимент, он увидел последовательность светлых и темных линий, как на штрих-коде.

Когда свет проходит через тонкие щели, он ведет себя подобно водяным волнам, которые проходят через узкое отверстие: они рассеиваются и распространяются в форме полусферической ряби.

Когда этот свет проходит через две щели, каждая волна гасит другую, образуя темные участки. Когда же рябь сходится, она дополняется, образуя яркие вертикальные линии. Эксперимент Юнга буквально подтвердил волновую модель, поэтому Максвелл облек эту идею в твердую математическую форму. Свет — это волна.

Но потом произошла квантовая революция.

Во второй половине девятнадцатого века, физики пытались выяснить, как и почему некоторые материалы абсорбируют и излучают электромагнитное излучение лучше других. Стоит отметит, что тогда электросветовая промышленность только развивалась, поэтому материалы, которые могут излучать свет, были серьезной штукой.

К концу девятнадцатого века ученые обнаружили, что количество электромагнитного излучения, испускаемого объектом, меняется в зависимости от его температуры, и измерили эти изменения. Но никто не знал, почему так происходит. В 1900 году Макс Планк решил эту проблему. Он выяснил, что расчеты могут объяснить эти изменения, но только если допустить, что электромагнитное излучение передается крошечными дискретными порциями. Планк называл их «кванта», множественное число латинского «квантум». Спустя несколько лет Эйнштейн взял его идеи за основу и объяснил другой удивительный эксперимент.

Физики обнаружили, что кусок металла становится положительно заряженным, когда облучается видимым или ультрафиолетовым светом. Этот эффект был назван фотоэлектрическим.

Атомы в металле теряли отрицательно заряженные электроны. Судя по всему, свет доставлял достаточно энергии металлу, чтобы тот выпустил часть электронов. Но почему электроны так делали, было непонятно. Они могли переносить больше энергии, просто изменив цвет света. В частности, электроны, выпущенные металлом, облученным фиолетовым светом, переносили больше энергии, чем электроны, выпущенные металлом, облученным красным светом.

Если бы свет был просто волной, это было бы нелепо.

Обычно вы изменяете количество энергии в волне, делая ее выше — представьте себе высокое цунами разрушительной силы — а не длиннее или короче. В более широком смысле, лучший способ увеличить энергию, которую свет передает электронам, это сделать волну света выше: то есть сделать свет ярче. Изменение длины волны, а значит и света, не должно было нести особой разницы.

Эйнштейн понял, что фотоэлектрический эффект проще понять, если представить свет в терминологии планковских квантов.

Он предположил, что свет переносится крошечными квантовыми порциями. Каждый квант переносит порцию дискретной энергии, связанной с длиной волны: чем короче длина волны, тем плотнее энергия. Это могло бы объяснить, почему порции фиолетового света с относительно короткой длиной волны переносят больше энергии, чем порции красного света, с относительно большой длиной.

Также это объяснило бы, почему простое увеличение яркости света не особо влияет на результат.

Свет поярче доставляет больше порций света к металлу, но это не изменяет количество энергии, переносимой каждой порцией. Грубо говоря, одна порция фиолетового света может передать больше энергии одному электрону, чем много порций красного света.

Эйнштейн назвал эти порции энергии фотонами и в настоящее время их признали фундаментальными частицами. Видимый свет переносится фотонами, другие виды электромагнитного излучения вроде рентгеновского, микроволнового и радиоволнового — тоже. Другими словами, свет — это частица.

На этом физики решили положить конец дебатам на тему того, из чего состоит свет. Обе модели были настолько убедительными, что отказываться от одной не было никакого смысла. К удивлению многих нефизиков, ученые решили, что свет ведет себя одновременно как частица и как волна. Другими словами, свет — это парадокс.

При этом у физиков не возникло проблем с раздвоением личности света. Это в какой-то мере сделало свет полезным вдвойне. Сегодня, опираясь на работы светил в прямом смысле слова — Максвелла и Эйнштейна, — мы выжимаем из света все.

Оказывается, что уравнения, используемые для описания света-волны и света-частицы, работают одинаково хорошо, но в некоторых случаях одно проще использовать, чем другое. Поэтому физики переключаются между ними, примерно как мы используем метры, описывая собственный рост, и переходим на километры, описывая поездку на велосипеде.

Некоторые физики пытаются использовать свет для создания шифрованных каналов связи, для денежных переводов, к примеру. Для них имеет смысл думать о свете как о частицах. Виной всему странная природа квантовой физики. Две фундаментальные частицы, как пара фотонов, могут быть «запутаны». Это значит, что они будут иметь общие свойства вне зависимости от того, как далеки будут друг от друга, поэтому их можно использовать для передачи информации между двумя точками на Земле.

Еще одна особенность этой запутанности в том, что квантовое состояние фотонов изменяется, когда их считывают. Это значит, что если кто-то попытается подслушать зашифрованный канал, в теории, он сразу выдаст свое присутствие.

Другие, как Гулильмакис, используют свет в электронике. Им полезней представлять свет в виде серии волн, которые можно приручить и контролировать. Современные устройства под названием «синтесайзеры светового поля» могут сводить световые волны в идеальной синхронности друг с дружкой. В результате они создают световые импульсы, которые более интенсивные, кратковременные и направленные, чем свет обычной лампы.

За последние 15 лет эти устройства научились использовать для приручения света с чрезвычайной степенью. В 2004 году Гулильмакис и его коллеги научились производить невероятно короткие импульсы рентгеновского излучения. Каждый импульс длился всего 250 аттосекунд, или 250 квинтиллионных секунды.

Используя эти крошечные импульсы как вспышку фотоаппарата, они смогли сделать снимки отдельных волн видимого света, которые колеблются намного медленнее. Они буквально сделали снимки движущегося света.

«Еще со времен Максвелла мы знали, что свет — это осциллирующее электромагнитное поле, но никто даже и подумать не мог, что мы можем сделать снимки осциллирующего света», — говорит Гулильмакис.

Наблюдение за этими отдельными волнами света стало первым шагом по направлению к управлению и изменению света, говорит он, подобно тому, как мы изменяем радиоволны для переноса радио- и телевизионных сигналов.

Сто лет назад фотоэлектрический эффект показал, что видимый свет влияет на электроны в металле. Гулильмакис говорит, что должна быть возможность точно контролировать эти электроны, используя волны видимого света, измененные таким образом, чтобы взаимодействовать с металлом четко определенным образом. «Мы можем управлять светом и с его помощью управлять материей», — говорит он.

Это может произвести революцию в электронике, привести к новому поколению оптических компьютеров, которые будут меньше и быстрее наших. «Мы сможем двигать электронами как заблагорассудится, создавая электрические токи внутри твердых веществ с помощью света, а не как в обычной электронике».

Вот еще один способ описать свет: это инструмент.

Впрочем, ничего нового. Жизнь использовала свет еще с тех пор, когда первые примитивные организмы развили светочувствительные ткани. Глаза людей улавливают фотоны видимого света, мы используем их для изучения мира вокруг. Современные технологии еще дальше уводят эту идею. В 2014 году Нобелевская премия по химии была присуждена исследователям, которые построили настолько мощный световой микроскоп, что он считался физически невозможным. Оказалось, что если постараться, свет может показать нам вещи, которые мы думали никогда не увидим.

Свет — это тоже электромагнитные волны

Совсем немного времени с момента открытия электромагнитных колебаний понадобилось на понимание того, что свет также является совокупностью электромаг­нитных колебаний — только очень высокочастотных. Не­случайно скорость света равна скорости распространения электромагнитных волн и характеризуется константой с = 300 ООО км/с.

Глаз — основной орган человека, воспринимающий свет. При этом длина волны световых колебаний воспри­нимается глазом как цвет световых лучей. В школьном курсе физики приводится описание классического опыта по разложению белого света — стоит достаточно узкий луч белого (например, солнечного) света направить на стек­лянную призму с треугольным сечением, как он тут же расслоится на множество плавно переходящих друг в друга световых пучков разного цвета. Это явление обусловлено различной степенью преломления световых волн различ­ной длины.

Помимо длины волны (или частоты), световые коле­бания характеризуются интенсивностью. Из ряда мер интенсивности светового излучения (яркость, световой поток, освещенность и др.) при описании видеоустройств наиболее важной является освещенность. Не вдаваясь в тонкости определения световых характеристик, отметим, что освещенность измеряется в люксах и является привыч­ной для нас мерой визуальной оценки видимости объек­тов. Ниже представлены типовые уровни освещенности:

• Освещенность в 20 см от горящей свечи 10—15 люкс
• Освещенность комнаты при горящих лампах накаливания 100 люкс
• Освещенность офиса с люминесцентными лампами 300-500 люкс
• Освещенность, создаваемая галогенными лампами 750 люкс
• Освещенность при ярком солнечном свете 20000люкс и выше

Свет широко используется в технике связи. Достаточ­но отметить такие применения света, как передача инфор­мации по световолоконным линиям связи, применение в современных электроакустических устройствах оптичес­кого выхода для оцифрованных звуковых сигналов, при­менение пультов дистанционного управления по лучу инфракрасного света и др.

Электромагнитная природа света Свет обладает как волновыми свойствами, так и корпускулярными свойствами. Такое свойство света называет корпускулярно-волновой дуализм. Но ученые и физики древности не знали об этом, и изначально считали свет упругой волной.

Свет — волны в эфире Но так как для распространения упругих волн нужна среда, то возникал правомерный вопрос, в какой же среде распространяется свет? Какая среда находится на пути от Солнца к Земле? Сторонники волновой теории света предположили что всё пространство во вселенной заполнено некоторой невидимой упругой средой. Они даже придумали ей название – светоносный эфир. В то время, ученые еще не знали о существовании каких либо волн, кроме механических. Такие взгляды на природу света высказывались примерно в 17 веке. Считалось, что свет распространяется именно в этом светоносном эфире.

Свет — поперечная волна Но такое предположение вызывало ряд противоречивых вопросов. К концу 18 века было доказано, что свет является поперечной волной. А упругие поперечные волны могут возникать только в твердых телах, следовательно, светоносный эфир является твердым телом. Это вызывало сильную головную боль у ученых того времени. Как небесные тела могут двигаться сквозь твердый светоносный эфир, и при этом не испытывать никакого сопротивления.

Свет — электромагнитная волна Во второй половине 19 века Максвелл доказал теоретически существование электромагнитных волн, которые могут распространяться даже в вакууме. И он предположил, что свет тоже является электромагнитной волной. Потом это предположение подтвердилось. Но актуально также было представление о том, что в некоторых случаях свет ведет себя как поток частиц. Теория Максвелла противоречила некоторым экспериментальным фактам. Но, в 1990 году, физик Макс Планк выдвинул гипотезу, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами. А в 1905 г. Альберт Эйнштейн выдвинул идею, о том, что электромагнитные волны с некоторой частотой можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией E=р*ν. В настоящее время квант электромагнитного излучения называют фотоном. Фотон не обладает ни массой, ни зарядом и всегда распространяется со скоростью света. То есть при излучении и поглощении свет проявляет корпускулярные свойства, а при перемещении в пространстве волновые.