Historia światła – komentarz eksperta UMCS

Komentarz ekspercki dra hab. Tomasza Kwapińskiego, prof. UMCS z Katedry Fizyki Powierzchni i Nanostruktur w Instytucie Fizyki UMCS.
Światło towarzyszy ludzkości od początku istnienia, a nasze postrzeganie go ewoluowało wraz z postępem wiedzy naukowej. Przez wieki ludzie starali się zgłębić tajniki tego, co sprawia, że światło jest tym, czym jest, bo to nie tylko fala elektromagnetyczna, lecz również źródło energii, życia i inspiracji.

Rys. 1 Tęcza na Przylądku Północnym, Nordkapp (fot. T.Kwapiński)

Już od zarania dziejów ludzie podziwiali magiczne właściwości światła i obserwowali różne zjawiska optyczne takie jak: zorze, glorie, wieńce, miraże. Duże zainteresowanie wzbudzała tęcza obserwowana w postaci wielobarwnego łuku, czasami z widocznymi łukami wyższych rzędów. Wiele z tych zjawisk przez długie wieki pozostawało tajemnicą.

Wczesne koncepcje światła
Najwcześniejsze teorie dotyczące światła miały związek ze zrozumieniem procesu widzenia i zjawisk świetlnych. Grecka cywilizacja, ze swoimi wielkimi myślicielami, stworzyła wiele koncepcji dotyczących natury światła. Dominowała hipoteza promieni wzrokowych wysyłanych przez oczy patrzącego. Ciekawą wizję rozchodzenia się światła prezentował Arystoteles, twierdząc, że światło jest czymś, co istnieje cały czas w ośrodku, a zatem jest nieskończenie szybkie. Prace uczonych z tamtych lat w dużej mierze opisywały tylko zjawiska optyczne, nie wyjaśniając poprawnie przyczyn zachowania się światła, jednakże stanowiły fundament dla dalszych odkryć.

Nowożytne spojrzenie na światło
Zainteresowanie nauką i postępy w konstruowaniu precyzyjnych urządzeń optycznych przyczyniły się do głębszego zrozumienia natury światła. Obszerne prace Johannesa Keplera na temat procesu widzenia czy powstawania obrazów zyskały duże uznanie uczonych. Na początku XVII wieku Kartezjusz i Snellius (później także Pierre de Fermat) sformułowali niezależnie prawo załamania światła. Znajomość tego prawa (i prawa odbicia światła) pozwoliła Kartezjuszowi na poprawną ilościową analizę powstawania tęczy. Kolejnego przełomowego odkrycia dokonał Izaak Newton, który wykazał przy pomocy pryzmatu, że światło białe jest mieszaniną wielu barw.

Prędkość światła
Czy światło ma „ruch natychmiastowy”, jak pisał Galileusz, czy raczej rozprzestrzenia się ze skończoną prędkością? W 1676 roku Ole Rømer na podstawie obserwacji przez teleskopy zaćmień księżyców Jowisza udowodnił, że prędkość światła musi być skończona. Poprawną wartość prędkości światła uzyskał w laboratorium dopiero w 1849 roku Armand Fizeau. Wykorzystał w tym celu układ ruchomych kół zębatych. Znana obecnie wartość prędkości światła w próżni wynosi:  i jest jedną najważniejszych stałych fizycznych.

W 1905 roku za sprawą pracy Alberta Einsteina na temat teorii względności zmieniła się koncepcja postrzegania czasu, przestrzeni i ruchu. Z teorii tej wynika, że światło zawsze porusza się ze stałą prędkością, niezależnie od obserwatora.

Natura falowa światła
Fale występujące w przyrodzie mogą interferować, czyli nakładać się na siebie, ponadto ulegają dyfrakcji, czyli ugięciu na małych przeszkodach. W drugiej połowie XVII wieku Christiaan Huygens szczegółowo opisał efekty falowe dla światła. Nieco później Étienne Malus odkrył jeszcze jedno zjawisko związane z falami, czyli polaryzację. Wiele ciekawych doświadczeń w zakresie interferencji, dyfrakcji i polaryzacji światła przeprowadzili Thomas Young (doświadczenie interferencyjne z dwoma szczelinami) czy Augustin Fresnel (plamka Poissona, polaryzacja kołowa). W tym czasie teoria falowa światła wydawała się być jedynie słuszną.

Rys. 2. Dyfrakcja wiązki światła laserowego na różnych siatkach dyfrakcyjnych (fot. T. Kwapiński)

Fala elektromagnetyczna to też światło
Jednym z najbardziej wpływowych osiągnięć XIX wieku było sformułowanie teorii elektromagnetyzmu przez Jamesa Maxwella. Teoria Maxwella przewidywała istnienie fal elektromagnetycznych, których prędkość rozchodzenia się zgadzała się bardzo dokładnie z wartością prędkości światła. Okazało się, że światło jest właśnie taką falą elektromagnetyczną. Otrzymaliśmy zatem zupełnie nowy obraz natury światła. W tym ujęciu to fala złożona z wzajemnie przenikających się i prostopadłych do siebie pól – magnetycznego i elektrycznego. Potwierdzenie eksperymentalne teorii Maxwella i istnienia fal elektromagnetycznych nastąpiło w 1886 roku w laboratorium Heinricha Hertza, który wykazał również, że takie fale podlegają zjawisku odbicia i mogą interferować. Ludzkie oczy są w stanie zarejestrować tylko niewielki fragment całego widma fal elektromagnetycznych, czyli w zakresie o długościach od ok. 400 nm (niebieski) do 700 nm (czerwony).

Rys. 3 Widmo fal elektromagnetycznych (https://zpe.gov.pl/a/przeczytaj/D1Bjh9r0P)

Kwantowa teoria światła
Koniec XIX wieku to czas, w którym triumfuje falowa teoria światła. Istniało jednak w fizyce kilka niewyjaśnionych zagadnień. Jednym z nich było promieniowanie ciała doskonale czarnego, a innym zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne. Oba zagadnienia dotyczą koncepcji światła. Pod koniec XIX wieku fizycy wyznaczali eksperymentalne widma promieniowania ciał, ale żadna istniejąca teoria nie mogła ich wyjaśnić. Przełom nastąpił dopiero w roku 1900, kiedy to Max Planck zaproponował, że fale elektromagnetyczne są emitowane i absorbowane w postaci małych porcji, nazywanych kwantami. Energia tych kwantów wynosi: , gdzie h jest stałą Plancka, a ν częstością fali. Teoria Plancka nie od razu zyskała akceptację środowiska naukowców, ponieważ nie wynikała z żadnej obowiązującej wówczas teorii fizycznej.

Koncepcja Plancka posłużyła do wyjaśnienia zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego. Zjawisko to polega na wybijaniu elektronów z powierzchni metalu pod wpływem światła i po raz pierwszy zaobserwował je Heinrich Hertz. W 1905 roku Albert Einstein opublikował pracę, w której wyjaśnił, dlaczego niektóre materiały emitują elektrony pod wpływem padającego światła. Zasugerował, że kwanty światła mogą przekazać elektronom energię, doprowadzając do wybicia takiego elektronu z metalu. W 1916 roku Robert Millikan opublikował wyniki pomiarów zjawiska fotoelektrycznego, które wskazywały na słuszność teorii Einsteina. Kolejnym wsparciem dla teorii kwantowej światła był model atomu Bohra (autorstwa Nielsa Bohra) z 1913 roku, który zakładał, że przejście elektronu w atomie z orbity wyższej na niższą powoduje emisję kwantu światła. Model ten wyjaśnia, w jakim procesie wytwarzane są w atomie cząstki światła (zwane także fotonami).

Dualizm korpuskularno-falowy
Pod wpływem kwantowej teorii Plancka zmieniło się postrzeganie światła, które nie było już tylko falą, ale stało się też kwantem energii, cząstką o zerowej masie poruszającą się z prędkością światła. Dzisiejsze rozumienie natury światła obejmuje zarówno teorię falową, jak i korpuskularną, co nazywamy dualizmem korpuskularno-falowym.

Czy zatem obecny obraz światła pozostanie z nami już na zawsze? Wydaje się to mało prawdopodobne. Być może przyszłe koncepcje światła będą związane z obecną we wszechświecie ciemną energią i ciemną materią, gdzie „zamieszkują” ciemne fotony, o których obecnie prawie nic nie wiemy.

Dr hab. Tomasz Kwapiński, prof. UMCS – pracuje w Katedrze Fizyki Powierzchni i Nanostruktur w Instytucie Fizyki UMCS. Jest stypendystą Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej i Fundacji Humboldta oraz członkiem Polskiego Towarzystwa Fizycznego. Jego zainteresowania naukowe obejmują zjawiska kwantowe w układach niskowymiarowych, łańcuchy atomowe, kropki kwantowe, mikroskopię STM, a także pompy elektronowe i qubity. Lubi wędrówki górskie i literaturę biograficzną.