The Great Central Sun of the Universe : Kwantowo-fotonowa natura światła.

Jaka jest prawdziwa natura światła? Czym jest światło?
Ludzie od bardzo dawna próbowali wyjaśnić fenomen postrzegania światła narządem wzroku. Intrygowało ich również zagadnienie rozchodzenia się światła. Optyka geometryczna pozwalała wyjaśnić proste zjawiska, takie jak odbicie promienia świetlnego od powierzchni zwierciadła. Trzy stulecia przed naszą erą Euklides sformułował zasadę prostoliniowego rozchodzenia się światła oraz prawo odbicia, czyli równości kątów padania i odbicia. Obserwacja zanurzonego w cieczy przedmiotu prowadziła do wniosku, że na granicy z powietrzem światło ulega załamaniu, to znaczy zmienia się kierunek jego rozchodzenia. Kawałki szkła, których powierzchnia została oszlifowana i przybrała kształt wycinka sfery umożliwiały zbudowanie prostych przyrządów optycznych jak lupa czy okulary. Połączenie kilku soczewek w układ optyczny pozwoliło zbudować lunetę i mikroskop. Jednak zjawisko załamania światła na granicy ośrodków nie zostało poprawnie wytłumaczone. Jeszcze Tycho de Brahe i Johannes Kepler używali specjalnych tablic uwzględniających poprawki refrakcyjne dla światła gwiazd docierającego do przyrządów astronomicznych poprzez atmosferę. Dopiero Willebrord Snell w 1621 roku poprawnie sformułował prawo załamania, a wyniki tych obserwacji opublikował w 1637 roku René Descartes (Kartezjusz). Natura światła czyli zrozumienie czym ono jest wymykało się jednak uczonym konstruującym wymienione urządzenia i opisującym zachowanie się światła. W roku 1662 Pierre Fermat uzasadnił prawo załamania światła różnymi prędkościami jego rozchodzenia się w różnych ośrodkach. Wykorzystał w tym celu znaną od czasów Herona z Aleksandrii „zasadę najkrótszego czasu”, opisującą bieg promieni świetlnych między dwoma punktami po najkrótszej drodze.

Druga polowa XVII w. to powstanie dwóch, jakby przeciwstawnych, teorii światła: w 1678 r. falowej Christiana Huygensa i w 1675 r. korpuskularnej Isaaca Newtona, którą rozwinął w swym dziele Optics, wydanym w 1703 r.
Pierwszymi przesłankami świadczącymi o falowej naturze światła były wyniki obserwacji interferencji, dyfrakcji i polaryzacji światła uzyskane przez Francesco Marię Grimaldiego w latach 1650-63. On też jako jeden z pierwszych zaczął podejrzewać, iż światło jest falą. Jako pierwszy zaobserwował i opisał dyfrakcję (ugięcie) światła na brzegu małego otworu, czyli wyraźne odstępstwo od optyki geometrycznej. Jego opinię podzielał Robert Hooke, konstruktor doskonałych przyrządów optycznych i badacz mikro–świata widzianego przez mikroskop, opisał barwne wzory pojawiające się przy przechodzeniu światła przez cienkie warstwy.
Jednak właściwym początkiem teorii falowej był rok 1678, gdy Christiaan Huygens przedłożył Akademii Paryskiej pracę pt. "Traité de la lumierè".
Zasada Huygensa (czytaj: hojchensa, błędnie: huyhensa) – zasada sformułowana przez Christiaana Huygensa stosowana do określenia rozchodzenia się fali w ośrodku, mówiąca, iż każdy punkt ośrodka, do którego dotarło czoło fali, można uważać za źródło nowej fali kulistej. Wypadkową powierzchnię falową tworzy powierzchnia styczna do wszystkich powierzchni fal cząstkowych i ją właśnie obserwuje się w ośrodku.

W 1676 roku Ole Romer, na podstawie obserwacji zaćmień księżyców Jowisza wykazał, że światło porusza się z bardzo dużą ale skończoną prędkością.

Newton w swym traktacie z 1675 r. który rozwinął w dziele Optics, wydanym w 1703 r. podał wyjaśnienie zjawiska, w którym mamy do czynienia z interferencją światła, mianowicie tzw. pierścieni Newtona (odkrytych przez R. Boyle'a w 1663 r., a nazwanych potem pierścieniami Newtona, które Newton po raz pierwszy dokładnie zbadał). Według teorii zaproponowanej przez Newtona światło jest strumieniem cząstek.

Teorie i eksperymenty Newtona dostarczały precyzyjnego opisu zjawisk, ale nie wyjaśniały, dlaczego zjawiska zachodzą w taki właśnie sposób i jaka jest np. natura światła. Newton był, zdaniem wielu swoich współczesnych, raczej matematykiem niż filozofem. Filozofowie przyrody wciąż spodziewali się sięgnąć do istoty rzeczy, przeprowadzić to, co nie udało się Arystotelesowi, korzystając tym razem z pewnych rozumowań popartych eksperymentem.
Najważniejszym – jak się wydawało – pytaniem optyki było: Czym jest światło – zbiorem cząstek czy jakimś specjalnym ruchem eteru wypełniającego świat?

Memoriał przesłany Towarzystwu Królewskiemu w 1675 r. zawierał hipotezę dotyczącą światła i eteru oraz opis doświadczeń z cienkimi warstwami. Praca ta nie ukazała się drukiem i Newton później mało zajmował się optyką. Dopiero w roku 1704, niemal dwadzieścia lat po wydaniu Principiów, zdecydował się ogłosić swoje prace optyczne.
Teoria barw weszła do pierwszej księgi Optyki, badania pierścieni do drugiej. Księga trzecia, ostatnia i najkrótsza, zawierała doświadczenia nad dyfrakcją. W późniejszych wydaniach Newton dodał na końcu Optyki spekulacje w formie pytań lub przypuszczeń – Queries – na temat natury światła, mechanizmu widzenia, natury grawitacji oraz reakcji chemicznych. Queries były rodzajem postscriptum do naukowej twórczości Newtona. Mógł w nich dość swobodnie wypowiedzieć swoje opinie, opatrując je za każdym razem ostrożnym znakiem zapytania.

Newton wierzył przez całe życie, że światło składa się z cząstek. Po krytyce z lat siedemdziesiątych zdawał sobie jednak sprawę, że nie dysponuje bezpośrednimi dowodami. W Optyce unika wyraźnego stwierdzenia, czym jest światło, choć pośrednio cały tekst książki ujawnia pogląd korpuskularny na naturę światła. Już pierwsza definicja – promienia świetlnego – określa go jako najmniejszą część światła, jaką można wydzielić w sensie przestrzennym i czasowym. Newton mówi też, że promienie świetlne mają „najmniejsze części, i to zarówno następujące po sobie wzdłuż tej samej linii, jak i współczesne sobie na wielu liniach”, ale nigdzie nie mówi wprost, że światło składa się z cząstek.

Pogląd, że światło jest złożone z różnych rodzajów promieni, że jest mieszaniną, był drugą idée fixe Newtona w optyce. Światło nie jest modyfikowane przy przechodzeniu przez pryzmat, lecz jedynie ujawnia swą pierwotną złożoność. Promienie jednorodne mają zaś stałe właściwości – są rodzajem atomów świetlnych, których nie można w żaden sposób zmodyfikować. Poglądy te Newton konsekwentnie wyznawał przez całe życie, nie przyznając się do jakiejkolwiek ewolucji swych przekonań.

W Hipotezie z 1675 r. Newton objaśniał zachowanie światła wpływem wszechobecnego eteru, wypełniającego wszelkie szczeliny i pory między innymi cząstkami materii. Teoria światła musiała m.in. wyjaśnić, dlaczego cząstki światła rozchodzą się z ogromnymi prędkościami. Newton uważał wtedy, że światło ma własną zasadę ruchu, pewną siłę, która rozpędza jego cząstki, dopóki opór eteru nie zrównoważy jej działania:

w podobny sposób, jak kiedy ciała upuszczone w wodę są przyspieszane, dopóki opór wody nie wyrówna siły ciężkości. Bóg, który dał zwierzętom zdolność poruszania się niedostępną naszemu pojęciu, zdolny jest bez wątpienia nadać ciałom inne zasady ruchu, które dla nas są równie niepojęte.

Opór eteru określać miał prędkość cząstek światła: gdzie eter był gęstszy, tam światło poruszało się wolniej. Aby spełnione było prawo załamania, należało przyjąć, że eter jest w gęstych materiałach rzadszy. Eter stał się w ten sposób w Hipotezie jakby negatywem pozostałej materii – najgęstszy był tam, gdzie nie było innych cząsteczek. Przejście światła z powietrza do szkła oznaczało więc zmniejszenie gęstości eteru i jego oporu.

Później w Principiach Newton udowodnił, że przynajmniej w ruchu ciał niebieskich nie obserwuje się żadnego oporu eteru. Można natomiast wyjaśnić ruchy planet za pomocą sił grawitacji działających na odległość. Podobną ideę sił działających na odległość zastosował również w optyce, choć tym razem nie udało mu się odkryć prawa rządzącego siłami. Przypuszczał, że cząstki światła, gdy wyrwą się już z obszaru przyciągania cząsteczek ciała (np. pod wpływem bardzo silnych drgań cieplnych), są silnie odpychane i rozpędzają się do ogromnej prędkości.

Zasady mechaniki łącznie z koncepcją sił działających na odległość łatwo dostarczały matematycznych praw odbicia i załamania. Nieścisłe rozumowanie Kartezjusza zostało zastąpione precyzyjnymi twierdzeniami. Prawa mechaniki pozwoliły również na sformułowanie pierwszej teorii współczynnika załamania. Rozważając związek sił na granicy próżni i danego materiału ze zmianą prędkości Newton wywnioskował, że wielkość n²– 1, gdzie n jest współczynnikiem załamania, proporcjonalna jest do siły. Dzięki temu mógł sprawdzić, czy wszystkie ciała jednakowo przyciągają światło. Po przeanalizowaniu danych Newton doszedł do wniosku, że współczynnik załamania zależy od gęstości ciała oraz zawartości siarki w danym ciele. Siarkę uważano wtedy za składnik wszystkich ciał. Jej zawartość określać miała stopień palności substancji. W ten sposób głęboko zakorzeniony pogląd alchemików o związku siarki ze światłem stał się u Newtona hipotezą potwierdzoną danymi liczbowymi, uzyskanymi z zestawienia obserwowanych wielkości n²–1 oraz gęstości wielu ciał. Największą trudność sprawiało zjawisko dyfrakcji. Teoria barw tym razem nie pozwoliła odsłonić sekretu zjawiska, choć doświadczenia w świetle jednobarwnym znów pomogły objaśnić kolory obserwowane w eksperymentach z białym światłem. Mimo precyzyjnych pomiarów i całego kunsztu eksperymentalnego wyniki nie układały się w konsekwentną teorię. Newton wykazał m.in., że granice cienia rzucanego przez włos są krzywoliniowe. Wyjaśnienia tego zjawiska szukał w siłach odpychających, które maleją z odległością i działają rozmaicie na różne promienie. W sumie jednak w Optyce nie ma żadnej teorii opisującej zjawiska dyfrakcji. Newton musiał zdawać sobie sprawę, że trudno objaśnić tworzenie się prążków dyfrakcyjnych na gruncie mechaniki. W Queries zastanawiał się, czy ruch cząstek światła w pobliżu ciała uginającego nie przypomina ruchu węgorza, co miałoby w rezultacie dawać periodyczne prążki.

Newton sądził, że fale nie mogą rozchodzić się prostoliniowo i muszą silnie uginać się (jak powiedzielibyśmy dzisiaj) na przeszkodach. Rycina z Principiów ilustruje jego pogląd na możliwość objaśnienia zjawisk świetlnych za pomocą fal (ryc. poniżej).

O różnicy między zachowaniem się fal (w tym wypadku dźwiękowych) i światła świadczył jego zdaniem fakt, że dzwon albo działo słychać zza wzgórza nawet wtedy, gdy ich nie widać. Ponieważ jednak cienie przedmiotów są ostro zarysowane, przeto światło nie może być falą.

Aby objaśnić barwy obserwowane w cienkich płytkach, Newton odwołał się jeszcze raz do wpływu eteru. Gdy cząstka światła przechodzi przez pierwszą powierzchnię płytki, wywołuje efekt podobny jak wrzucenie kamienia do wody: w eterze rozchodzi się fala składająca się z kolejnych zgęszczeń i rozrzedzeń. Fala ta wyprzedza cząstkę światła. Gdy cząstka światła dociera do drugiej powierzchni, może zostać przepuszczona albo odbita – w zależności od tego, czy natrafi tam na rozrzedzenie, czy na zgęszczenie eteru. Każdej barwie światła odpowiadałaby więc fala eteru o określonej długości.
Fale eteru wyjaśniać miały również widzenie barw. Różne rodzaje drgań, wywołanych uderzaniem promieni świetlnych o siatkówkę, przenoszone są wzdłuż nerwów do sensorium, gdzie powstaje wrażenie. Mieszanie się rozmaitych drgań wytwarza wrażenia bieli, drgania o największej długości odpowiadają wrażeniu czerwieni i żółci itp. Konsonanse tych drgań byłyby odpowiedzialne za harmonię kolorów – pomysł, do którego Newton był bardzo przywiązany. Naciskając oko palcem w ciemności, można wywołać trwające około sekundy wrażenie tęczowych kół, co potwierdza, że drgania mechaniczne są przyczyną wrażeń wzrokowych.
Optyka pisana była już po Principiach i wyjaśnienia odwołujące się do eteru nie wydawały się wtedy Newtonowi zbyt pewne. Aby uniknąć wdawania się w hipotetyczne spekulacje na temat fal eteru, przyjął teorię tzw. przystępów zdolności odbijania. Promień świetlny znajdowałby się periodycznie w stanie pozwalającym na łatwe przejście przez granicę ośrodków bądź łatwe odbicie od tej granicy. Każdy promień doświadczałby takich okresowych nawrotów zdolności przechodzenia i odbijania już od chwili swego wysłania. Wtedy też dopiero udało się znacznie lepiej wyjaśnić zjawiska odkryte przez Newtona i Hooke'a. Falowa teoria Fresnela objaśnia zresztą barwy cienkich warstw w sposób bliższy pomysłowi Hooke'a.
Choć Newton zdawał sobie sprawę, że trudno wykazać doświadczalnie istnienie eteru, to jednak podobnie jak Huygens spekulował na jego temat przez całe życie. Teoria przystępów nie oznaczała bynajmniej odrzucenia samej koncepcji eteru, była jedynie próbą oddzielenia wiedzy sprawdzonej doświadczalnie od hipotez. Eter nadal wydawał się najlepszym, jeśli nawet tylko hipotetycznym, wyjaśnieniem przystępów łatwego odbicia.

W 1717 r. do kolejnego wydania Optyki dołączył serię Queries dotyczących eteru. Teraz eter zgodnie z mechaniką Principiów miał być bardzo rozrzedzony. Musiał też przenosić fale sprężyste prędzej niż biegnie światło – aby objaśnić zjawiska w cienkich warstwach. W rezultacie jego właściwości stały się jeszcze bardziej niezwykłe niż dawniej: miał być wiele set tysięcy razy rzadszy od powietrza i jednocześnie wiele set tysięcy razy bardziej od niego sprężysty.
Dopiero w 1706 r., w 29. Query do Optyki Newton postawił wprost pytanie: czy światło nie składa się z cząstek. Nigdy jednak nie sformułował tej hipotezy jako jedynej możliwej do przyjęcia. Podstawowe pytanie siedemnastowiecznych badaczy: Czy światło jest cielesne, czy też jest ruchem? – pozostało bez definitywnej odpowiedzi.
Teorię korpuskularną Newtona akceptowało wielu uczonych aż do początku XIX w.
Wracając do teorii Christiaana Huygensa, można powiedzieć, że była rozwinięciem idei Roberta Hooke’a. Huygens podobnie jak Kartezjusz (i Hooke) odrzucał istnienie próżni i sądził, że świat wypełniony jest eterem. Światło miało być ruchem przekazywanym przez sprężyste cząstki eteru. Owo przekazywanie ruchu przypominałoby uderzenie rozpędzonej kuli w szereg stykających się, nieruchomych kul. Jeśli tylko kule są jednakowe i doskonale sprężyste, to ruch zostanie przekazany od pierwszej do ostatniej bez strat. Wielka prędkość światła (obliczona w 1676 r. przez pracującego również w Paryżu Roemera) świadczyć miała o ogromnej sprężystości eteru.
Teoria falowa próbowała również wyjaśnić prostoliniowe rozchodzenie się światła. Cząsteczki ciała poruszając się gwałtownie, np. pod wpływem ognia, przekazują swój ruch eterowi, wzbudzając w nim fale elementarne. Fale te następnie składają się w jeden silniejszy impuls, który obserwujemy. Czoło tak powstałej fali wypadkowej jest obwiednią owych elementarnych fal (na ogół kulistych) – jest to sławna zasada Huygensa.
Huygens mówi wprawdzie o falach i powołuje się na analogię do fal wodnych, lecz uważa owe impulsy za nieokresowe, jego fale są zaburzeniami bez żadnej okresowości przestrzennej czy czasowej, przypominają raczej fale uderzeniowe rozchodzące się po wybuchu. Fala za szczeliną będzie mieć brzegi prostoliniowe – dowodzi Hugens – części fal bowiem, które rozchodzą się poza obszarem geometrycznego cienia, są „zbyt słabe, aby wytworzyć tam światło”.
Huygensowi udało się ze swej intuicyjnej zasady wyprowadzić prawo odbicia oraz prawo załamania. To drugie wymagało, aby prędkość światła, np. w wodzie, była mniejsza niż w powietrzu, odwrotnie niż u Newtona. Doświadczalne rozstrzygnięcie sprzeczności między obiema teoriami było jednak jeszcze długo niemożliwe z powodu wielkiej prędkości światła i trudności technicznych pomiaru.
Oczywiście ani Huygens, ani Newton nie potrafili analizować nakładania się fal – zjawisk interferencji i dyfrakcji. Dlatego nie zdawali sobie sprawy z roli długości fali jako naturalnej skali odległości, powyżej której zjawiska dyfrakcyjne stają się niewidoczne. Okresowe zmiany barwy w cienkich warstwach, które są od XIX w. podręcznikowym przykładem interferencji fal, były dla Newtona kolejnym argumentem przeciwko teorii impulsowej typu Huygensa czy Hooke'a: uważał bowiem, iż nie ma powodu, aby fala zachowywała się w taki sposób.
Obie teorie, Huygensa i Newtona, napotykały trudności, o których ich twórcy wspominali niechętnie. Huygens unikał mówienia o barwach, Newton nie mówił wprost o cząstkach światła. Obie teorie okazały się w różny sposób przydatne w badaniu dwójłomności. Zjawisko odkryte w roku 1669 przez Duńczyka Erasmusa Bartholina w kryształach szpatu islandzkiego (kalcytu) polega na rozszczepieniu padającego światła na dwie części: jedna załamuje się zgodnie z prawem Snella (promień zwyczajny), druga niezgodnie (promień nadzwyczajny). Huygens objaśnił załamanie promienia nadzwyczajnego przyjmując, że fale elementarne są w tym wypadku elipsoidami (a nie sferami). Udało mu się ustalić rozmiary i orientację tych elipsoid względem kryształu, a tym samym podać prawo załamania promienia nadzwyczajnego.
Huygens sądził, że promień zwyczajny przenoszony jest przez eter wypełniający kryształ, promień nadzwyczajny natomiast – przez cząstki samego anizotropowego kryształu. Nie udało mu się jednak wyjaśnić w ten sposób zjawiska, które sam odkrył i sumiennie opisał w swoim Traité. Gdy mianowicie promień światła rozszczepiony przez kryształ szpatu przepuścimy przez drugi identycznie ustawiony kryształ, to promienie już nie rozszczepią się ponownie, lecz zwyczajny załamie się zwyczajnie, a nadzwyczajny – nadzwyczajnie. Gdy drugi kryształ obrócimy o kąt prosty względem pierwszego, to oba promienie zamienią się rolami, przy czym znów nie rozszczepią się na dwa. Z punktu widzenia Newtona (który zajął się tym problemem w 25. Query) sytuacja jest jasna: mamy tu jeszcze raz do czynienia z analizą światła. Zjawiska opisane przez Huygensa można objaśnić pewną symetrią prostokątną promieni, które byłyby zatem czymś w rodzaju magnesów posiadających bieguny. Padające światło rozdziela się na dwa promienie o różnych orientacjach; po przejściu do drugiego kryształu oba promienie zachowują w dalszym ciągu swoje orientacje. Newton naszkicował jedynie ideę, dość bliską polaryzacji (która jest przyczyną zjawiska). Nie starał się jednak objaśnić istotnych trudności: dlaczego światło dzieli się tylko na dwie wiązki zamiast na nieskończenie wiele jak w pryzmacie ani jak objaśnić mechanicznie bieg promienia nadzwyczajnego. Fresnel uzupełnił zasadę Huygensa, dodając, że fale wytworzone przez punkty, do których dotarła fala, zwane są falami cząstkowymi, interferują ze sobą, tworząc falę. Niedługo później rozwój teorii falowej praktycznie zatrzymał się aż do roku 1801, w którym Thomas Young wykonał doświadczenie, w którym wyznaczył przybliżoną wartość długości fali światła. W 1807 za pomocą tej teorii, objaśnił wynik doświadczenia polegającego na przepuszczaniu światła przez dwie szczeliny i obserwacji struktury prążków, z których występowaniem opis geometrycznego rozchodzenia się światła Newtona, był niezgodny.

Odkrycie polaryzacji światła przy odbiciu w 1809 r. przez Étienne Louisa Malusa skłoniły Younga do wysunięcia tezy, iż światło jest falą, co było sprzeczne z ówczesnymi poglądami dotyczącymi natury światła rozpropagowanymi przez Isaaca Newtona.

W 1819 roku François Arago i Augustin Jean Fresnel wykazali doświadczalnie, że promienie światła spolaryzowane w płaszczyznach prostopadłych do siebie nie interferują ze sobą (tym samym spolaryzowane w płaszczyznach równoległych do siebie, ze sobą interferują). Było to dowód, że fala świetlna jest falą poprzeczną i wielkie odkrycie na miarę zrozumienia zachowywania się fotonów przy przechodzeniu przez szczeliny siatki dyfrakcyjnej.

Doświadczenie Younga (1801) – eksperyment polegający na przepuszczeniu światła spójnego przez dwie blisko siebie położone szczeliny i obserwacji obrazu powstającego na ekranie. Wskutek interferencji na ekranie powstają jasne i ciemne prążki w obszarach, w których światło jest wygaszane lub wzmacniane.

Eksperyment „potwierdził” falową naturę światła i stanowił poważny argument przeciwko korpuskularnej koncepcji światła, której zwolennikiem był Isaac Newton. Po raz pierwszy eksperyment ten wykonał w pierwszych latach XIX w. Thomas Young, fizyk angielski.

Bardziej widowiskowy i łatwiejszy sposób wykonania tego doświadczenia polega na użyciu siatki dyfrakcyjnej, czyli płytki ze szkła, na której gęsto zarysowane są rysy pełniące rolę przesłon pomiędzy szczelinami. Obraz interferencyjny widoczny w tym przypadku na ekranie jest znacznie wyraźniejszy i jaśniejszy niż przy użyciu jedynie dwóch szczelin.

Thomasa Younga zainspirowały obserwacje fal na wodzie pochodzących z dwóch różnych źródeł – ich wzajemne wzmacnianie się i osłabianie.

Chcąc wykonać podobny eksperyment z użyciem światła, użył nieprzezroczystego materiału, w którym wyciął dwie bardzo małe dziurki. Do uzyskania spójnego światła Young przepuścił światło świecy najpierw przez pojedynczy mały otwór. Światło to, zgodnie z zasadą Huygensa rozchodziło się w postaci fali kulistej, a następnie docierało do dwóch szczelin na kolejnej przesłonie. Różnica faz promieni dochodzących do obu szczelin była cały czas jednakowa dla danej częstotliwości, a zatem były to fale spójne. Po przejściu przez obie szczeliny, promienie rozprzestrzeniały się (znów zgodnie z zasadą Huygensa) i oświetlały ekran tworząc na nim kolorowe prążki interferencyjne.

Doświadczenie w swojej pierwotnej formie nie budziło wielkich kontrowersji w świecie fizyki, jednak późniejsze jego modyfikacje i interpretacja w świetle mechaniki kwantowej postawiły przed fizykami znaki zapytania. Okazało się bowiem, że nawet pojedyncze fotony przechodzące przez szczeliny, tworzyły za szczelinami na światłoczułym materiale wzór interferencyjny. Typowo falowe zjawisko interferencji światła w połączeniu z jego kwantową naturą stało się przyczynkiem do zrozumienia podstaw mechaniki kwantowej. Francuska Akademia Nauk w 1819 roku ogłosiła konkurs na rozprawę, w której wyjaśnione zostanie zjawisko dyfrakcji. Najlepszą okazałą się praca wojskowego inżyniera, Augustina Fresnela. Rozwiązanie zaproponowane przez Fresnela wciąż nie przekonywało jednak wielu uczonych, według których światło to strumienie cząsteczek, a nie fale. Siméon Denis Poisson zaproponował doświadczalny test, którego wynik miał obalić bądź potwierdzić teorię Fresnela. Na drodze światła umieszczono małą kulkę i zbadano cień jaki ona rzucała. Według teorii cząsteczkowej powinno tam być ciemno, natomiast teoria falowa zakładała ugięcie światła na kuli i wytworzenie w miejscu zacienionym jasnej plamki. Wynik doświadczenia był jednoznaczny – za kulką, na ekranie pojawiła się jasna kropka, nazwana dla uczczenia autora teorii o falowej naturze światła „plamką Fresnela”.

Wiele kolejnych eksperymentów, w których przepuszczano światło przez szczeliny i układy szczelin, a także odbijano od powierzchni szkła i nakładano na siebie (interferometry) potwierdziło słuszność teorii falowej. Falowy opis światła rozszerzał i uzupełniał optykę geometryczną.

W roku 1865 James Clerk Maxwell przedstawił postulat, że światło jest falą elektromagnetyczną.

Teoria falowa Maxwella niewiele jednak wyjaśniała, na dodatek stwierdzała, że energia fali świetlnej zależy wyłącznie od jej natężenia i nie ma związku z częstotliwością, co jak się niebawem okazało w doświadczeniach Hertza, było kompletną bzdurą.
W roku 1887 Rudolf Hertz badał zjawisko emisji ujemnie naładowanych cząsteczek (elektronów) z metalu pod wpływem światła. Według teorii falowej Maxwella, ze wzrostem natężenia światła oświetlającego elektrodę, liczba wybijanych z niej elektronów powinna wzrastać, oraz maksymalna prędkość, z którą może poruszać się każdy z nich, też powinna wzrastać. Zgodnie z teorią Maxwella energia fali elektromagnetycznej jest związana z jej amplitudą; amplituda zaś jest wprost proporcjonalne do natężenia fali. Maksymalna energia kinetyczna wybijanych z powierzchni metalu cząstek nie powinna więc zależeć od częstotliwości (barwy) padającej fali. Wynik doświadczenia Hertza był jednak inny. Zwiększanie częstotliwości światła padającego na elektrodę (czyli zamiana źródła na emitujące światło o mniejszej długości fali, np. barwy niebieskiej) zwiększało energię kinetyczną cząsteczek. Światło o większej częstotliwości nadawało cząstkom większe prędkości (energie kinetyczne) niż światło o mniejszej częstotliwości. Istniała ponadto pewna granica częstotliwości, poniżej której z elektrody nie były emitowane w ogóle żadne cząstki. Granicę tą nazwano częstotliwością progową, a jej wartość zależała od rodzaju metalu, z którego wykonana była elektroda. Zależność wzrostu energii kinetycznej od częstotliwości światła dla wszystkich przebadanych metali była natomiast taka sama. Zwiększanie natężenia padającego światła nie zwiększało prędkości wybitych cząsteczek. Teoria falowa Maxwella źle opisywała obserwacje Hertza.

Newton interpretował wyniki swych badań z pryzmatami jako dowód na korpuskularną naturę światła. Dopiero 1705 r. Newton postawił wprost pytanie, czy światło nie składa się z cząstek? Nigdy jednak nie sformułował tej hipotezy jako jedynej możliwej do przyjęcia.

Ogromny autorytet Newtona, który nie wierzył w falową teorię światła, głoszoną przez Christian Huygensa czy Roberta Hooka, przemawiał na jego korzyść. Jeszcze na początku XIX wieku teoria Newtona miała wielu zwolenników, by w końcu ustąpić miejsca falowej elektromagnetycznej teorii Maxwella.

W 1905 r. A. Einstein wykorzystując teorię o kwantach energii oscylatorów M. Plancka, na gruncie zjawiska fotoelektrycznego, przywrócił do życia korpuskularną teorię Newtona, już nie z maleńkimi kuleczkami ale promieniami świetlnymi (lichtstrahles) jako kwantami energii (energiequanten).

Sprzeczności pomiędzy kwantowym i falowym modelem światła podsumowano jeszcze raz w tabeli 4.1.

Zatem:

prawidłowości rządzących zjawiskiem fotoelektrycznym zaprzeczają falowej naturze światła

Literatura:

Jerzy Kierul - Isacc Newton BÓG, ŚWIATŁO I ŚWIAT

Dyfrakcja i kumulacja fotonów po przejściu przez siatkę dyfrakcyjną

Jest pytanie. Jak to się naprawdę dzieje w świetle kwantowej teorii światła jako promieni świetlnych?
Siatka dyfrakcyjna jako układ równoległych i równo odległych od siebie szczelin przepuszcza i polaryzuje liniowo w płaszczyźnie pionowej białe światło, rozszczepiając je dalej na poszczególne barwy.
W wyniku dyfrakcji fotonów światła białego na jednej szczelinie siatki dyfrakcyjnej otrzymujemy rozszczepienie na poszczególne barwy.

W wyniku nakładania się obrazów dyfrakcyjnych pochodzących z wielu szczelin otrzymujemy obraz składający się z położonych na przemian obrazów oświetlonych i nieoświetlonych.

Odległość kolejnych prążków jasnych (i ciemnych) od prążka centralnego (zerowego rzędu) jest funkcją długości fali. Jeśli więc użyjemy światła białego, to wzmocnienia, dla ustalonego k, nie wypadną w tym samym miejscu na ekranie. Tylko prążek rzędu zerowego będzie biały, a pozostałych rzędów będą barwne, przy czym prążki odpowiadające falom krótszym (fiolet) będą bliżej prążka zerowego niż prążki czerwone (fale dłuższe), dla ustalonego k.

Im większa długość fali padającego światła tym kąt, pod którym rozchodzi się światło po przejściu przez siatkę jest większy, dlatego światło czerwone doznaje większego odchylenia niż światło fioletowe.

W przypadku światła monochromatycznego (żółtego) otrzymujemy taki obraz zagęszczeń (kumulacji) i rozrzedzeń (braku) światła jako prążków.

Ogólnie rzecz biorąc, wyniku nakładania się obrazów dyfrakcyjnych pochodzących z wielu szczelin otrzymujemy obraz składający się z położonych na przemian obrazów oświetlonych i nieoświetlonych.

Zastanówmy się więc, czego możemy oczekiwać, dla monochromatycznych fotonów – cząstek o energii hf przechodzących przez podwójną szczelinę.
Wiemy już, że rozkład maksimów jest taki sam zarówno dla fal na wodzie jak i światła. Ale przecież natura światła jest dużo bardziej złożona niż wody.

Mikroskopowe zwykłe materialne cząstki docierają do ekranu tworząc za pojedynczą szczeliną pojedyncze wzniesienia, pokazane powyżej na rysunkach 4.5a oraz 4.5b. Dla dwóch szczelin mamy podwójne wzniesienia (maksima) pokazane na rysunki 4.5c, stanowiącego sumę wzniesień z rysunków a i b. Taki właśnie wyniki otrzymuje się dla doświadczenia ze zwykłymi materialnymi cząstkami. Czy takiego obrazu możemy oczekiwać również w przypadku fotonów jako cząsteczek wewnętrznie wibrujących elektromagnetycznie. Niestety, nie. Foton to coś więcej niż zwykła mikroskopowa materialna cząstka. Otrzymujemy więc obraz pokazany na rysunku 4.5d (światło monochromatyczne, zielone)).

Czy można to wytłumaczyć w świetle kwantowej teorii światła jako promieni świetlnych? Odpowiedzmy pierw na pytanie: czym naprawdę jest ten foton? Powiemy, że jest to energetyczne, lokalne zaburzenie elektromagnetyczne eteru, na dodatek kwantowe no i oczywiście przemieszczające z prędkością c. W "jednym momencie" wygląda to, mniej więcej, tak:

a w "trzech momentach" wygląda on tak:

a w "wielu momentach" wygląda on jako sumaryczny ślad.

choć zawsze w "jednym momencie" wyglądając tak:

Jednym słowy, w "jednym momencie" jest to energetyczne, lokalne zaburzenie elektromagnetyczne eteru, na dodatek kwantowe a więc zlokalizowane i przemieszczające z prędkością c, natomiast w "wielu momentach" jest to sumaryczny ślad "jednego momentu" energetycznego, lokalnego zaburzenia elektromagnetycznego eteru.

I ten ślad nazywamy "falą elektromagnetyczną".

No i takie właśnie fotony, a więc energetyczne, lokalne zaburzenia elektro-magnetyczne eteru, różnej częstotliwości, przechodzą przez szczeliny, których szerokość jest rzędu długości fali tego lokalnego zaburzenia elektromagnetycznego. Oczywiście dochodzi przy tym do polaryzacji liniowej przechodzących fotonów, co jest przez ogół fizyków nie dostrzegane.

Fotony spolaryzowane poziomo zostają wytłumione.

I takie spolaryzowane pionowo fotony ulegają mniejszej bądź większej dyfrakcji na szczelinach, i dalej odpowiednio się rozdzielając mkną w kierunku ustawionego ekranu kumulując ze sobą bądź nie, w zależności od tego, czy są ze sobą w fazie zgodnej czy nie.

Na poniższej ilustracji są przedstawione hipotetyczne falowe tory natężenia pola elektrycznego E, którymi fotony "chciałyby" podążać. Oczywiście tak nie podążają, gdyż to by była interferencja interpretacji falowej, ale łączą się, gdy są ze sobą w zgodnej fazie.