История

Имайки предвид значението и важността на светлината в нашия живот, можем до известна степен да кажем, че хората са всъщност същества на светлината. От момента на нашето раждане до вечния покой, светлината е фактор, който постоянно срещаме през целия ни път. Това взаимодействие обаче се развива само в мащаба на нашата среда, която сама по себе си е много по-голяма от мащаба на атома където се крие и произходът на светлината.

Въпреки че все още не можем да достигнем необходимата дълбочина за лесно наблюдение на субатомния свят, има множество открития от изучаването на различните явления включващи светлината.

Отнело е много време за постепенното формиране и разпространение на инженерството и философията в Древен Египет, Месопотамия и Гърция докато това е довело до колективен напредък в науката. Движението на светлината през времето и геометричните й качества за пръв път били широко обсъждани по време на възхода на първите цивилизации около 2600 г. Пр.н.е.

Години по-късно, около 300 пр. Хр и към края на класическия гръцки период, Евклид от Александрия създал модел на светлината, който значително изпреварил времето си. Той описал светлината, като мигновена и неспираща движението си. Явления, като сенки и отражения били само някой от примерите лесно обясними, чрез представената от него геометрията на слънчевите лъчи.

“Оптика” на Евклид е бил трактат посветен най-вече на геометрията и линейната перспектива. За разлика от своите предшественици, Евклид не само предоставил теорията зад философията на работата си, но и своите математически изчисления, които допълнително укрепили достоверността й.

Евклидовата геометрия била от голяма полза на процъфтяващата арабска алгебра в края на 10-ти век сл. Хр. Именно тогава арабският математик, астроном и физик Абу Али ал-Хасан Ибн ал-Хайтам, по-известен под името Алхазен, предприел един от първите устремени опити за описване на светлината.

Той успешно обяснил как това, което виждаме не произлиза от очите ни, а е резултат на светлина отскочила от обект и след това попаднала в очите ни. Интромисионните теории на Аристотел и изчисленията направени от Евклид се превърнали в основата на тези изследвания и доближили Алхазен по-близо от всякога до принципите на оптиката и в частност визуалното възприятие.

След като придобил слава и признание в средновековна Европа за гениалните си изчисления, Алхазен станал известен като “основателя на съвременната оптика”. Идеята му, че светлината е съвкупност от малки частици пътуващи в права линия доминирала до края на Ренесанса.

Вълнови свойства на светлината

Теорията за частици била силно оборена от Рене Декарт през 1630-та година, който за първи път успява да пресъздаде поведението на светлината интерпретирайки я като вълна, а не като поток от частици.

Предполагало се, че светлината е енергия на смущението, което се разпространява в пространството. И тъй като всяка вълна се нуждае от среда, за да се разпространи, се смятало, че светлината се движи в универсална среда, т.е. световния етер. Точните обяснения за това как функционирал етерът винаги били неясни, но съществуването му не било поставяно под съмнение.

По-късно тази идея била проучена от Кристиан Хюйгенс, който не случайно бил един от основните участници в развитието на механиката, физиката, астрономията и математиката, като едно от най-известните му изобретения е часовникът с махало. По време на Нидерландския златен век, Хюйгенс за първи път описал светлинните вълни със своите гениални математически изчисления, които му позволили да преоткрие и документира повечето от свойствата на светлината.

Тези открития били документирани в публикуваната през 1690-та година работа на Хайгенс „Traité de la lumière“, но не били приети веднага. По същото време Исак Нютон спорил за липсата на доказателства по отношение на етерната теория и публикувал аргументите си в собствената си работа “Opticks: or, A Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light“, която хвърлила научното общество в неразрешим дебат относно естеството на светлината.

С времето корпускулярната теория (поток от частици) на Нютон не успяла да отговори на много от въпросите опиращи до дифракция, интерференция и поляризация на светлината и била изоставена за вълновата теория на Хюйгенс.

Липсващата част от разрешаването на целия този дебат била открита в принципа на Хюйгенс-Френел. През 1801-та, Томас Йънг извършил редица интерференционни експерименти, които изглеждали необясними чрез използването на съществуващата корпускулярна теория за светлината.

Това съживило не толкова старите идеи на Хюйгенс, че вълните и светлината са свързани. През 1821 г. Френел доказал, че поляризацията на светлината може да бъде обяснена само ако е вълна, която е напълно напречна без каквито и да е надлъжни компоненти. Така принципът Хюйгенс-Френел се родил и послужил за основа на още много откития в оптиката и теорията на светлината.

С провеждането на повече експерименти, били събрани още данни, последвани от още повече въпроси и още повече парадоксални грешки по отношение на етера. Следващото парче от Уикипедия обобщава ситуацията много добре:

“Към този момент механичните качества на етера станали все по-вълшебни: Той трябва да бъде течност, за да запълни пространството, но такава, която е милиони пъти по-твърда от стоманата, за да поддържа високите честоти на светлинните вълни. Освен това трябва да бъде безмасов и без вискозитет, иначе видимо ще се отрази на орбитите на планетите. Освен това изглежда, че трябва да бъде напълно прозрачен, неразпръскващ, несгъстим и непрекъснат в много малък мащаб.”

Спектър

Подходът към вълновата теория бил разширен от шотландският учен в областта на физиката, Джеймс Кларк Максуел. Най-забележителното му постижение било създаването на теорията за електромагнетизма, която довела до пробива, че светлината е напречна електромагнитна вълна, обединявайки свойствата на електричеството, магнетизмът и светлината.

Единствената разлика между които е енергията изразена в тяхната честота. Ние виждаме светлината, но не радиовълните или инфрачервените вълни само поради нашето възприятие, което е резултат на човешката еволюция. Моделът на Максуел за електромагнетизма се счита за второто голямо обединение във физиката, като първото е законът на сър Исак Нютон за универсалната гравитация, документирана в собствената му книга “Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica“.

Дебатът достигнал пълен кръг когато Алберт Айнщайн се появил с обяснение за фотоелектрическия ефект през 1905-та г. и в този случай вълновата теория за светлината не успяла да обясни ситуацията. Айнщайн постигнал това, като предположил съществуването на фотони - кванти от светлинната енергия с частични качества. Това събитие поставило край на вековния дебат и двете противоположни теории се слели в една. Или просто така наречената корпускулярно-вълнова теория на съвременната физика.

Съвременният модел на светлината е резултат от сложен подход включващ в себе си различни области на физиката. Има два метода за количествено определение на светлината. Да се отнасяме към нея, като с поток от частици - фотони или в другия случай, като вълна.

Въпреки, че светлината не е нито едно от двете, това е един лесен и удобен начин да се опише нейното поведение. Сравнявайки тези несъвместими перспективи, квантовата механика създаде основен модел на оптиката, който е и лесен за работа.