Dualidad de la luz onda-partícula
La luz siempre ha sido considerada la sustancia más pequeña. Aunque es la sustancia más especial, se puede decir que explorar la naturaleza de la luz equivale a explorar la naturaleza de la materia. Históricamente, toda la física giraba en torno a si la materia era una onda o una partícula.
La tarea de la óptica es estudiar la naturaleza de la luz y sus leyes de radiación, propagación y recepción. La interacción entre la luz y otras sustancias (como la absorción y dispersión de la luz por sustancias, la acción mecánica de la luz y los efectos térmicos, eléctricos, químicos y fisiológicos de la luz, etc.) y la aplicación de la óptica en la ciencia y la tecnología. . Primero familiarícese con los conocimientos básicos sobre la luz.
El debate entre la teoría ondulatoria y la teoría de partículas de la luz
En el estudio de la óptica física, la naturaleza de la luz y el color de la luz se han convertido en el centro de atención. Respecto a la naturaleza de la luz, Descartes formuló dos postulados en la Óptica de la Refracción, uno de los tres apéndices de su Metodología. Una hipótesis sostiene que la luz es una sustancia parecida a una partícula; otra hipótesis sostiene que la luz es una presión mediada por "éter". Aunque Descartes puso más énfasis en la influencia y acción del medio sobre la luz, sus dos hipótesis han allanado el camino para los debates posteriores sobre la teoría de partículas y la teoría de ondas.
A mediados del siglo XVII, la óptica física se desarrolló aún más. En 1655, Grimma Di, profesora de matemáticas de la Universidad de Bolonia, descubrió por primera vez el fenómeno de la difracción de la luz mientras observaba la sombra de un pequeño palo colocado en un haz de luz. Basándose en esto, especuló que la luz podría ser un fluido similar a las ondas del agua.
Grimma diseñó un experimento: dejar pasar un rayo de luz a través de un pequeño agujero en una habitación oscura, dejar que este rayo de luz pase a través del pequeño agujero y brillar en una pantalla. Descubrió que después de que la luz pasaba a través del pequeño agujero, la luz y la sombra se hacían significativamente más amplias. Grimma realizó más experimentos. Dejó que un rayo de luz pasara a través de dos pequeños agujeros y brillara en la pantalla del cuarto oscuro, y luego obtuvo una imagen con franjas claras y oscuras. Creía que este fenómeno era muy similar a las ondas del agua y concluyó que la luz es un fluido que puede moverse en ondas, y que los diferentes colores de la luz son el resultado de diferentes frecuencias de ondas. Grimma fue la primera persona en proponer el concepto de "difracción de la luz" y el primer defensor de la teoría ondulatoria de la luz. En 1663, el científico británico Boyle propuso que el color de un objeto no es la naturaleza del objeto en sí, sino el efecto de la luz que incide sobre él. Documentó por primera vez rayas de colores en pompas de jabón y esferas de vidrio. Este hallazgo coincide con la afirmación de Grimma y sentó las bases para investigaciones posteriores. Poco después, el físico británico Hooke repitió el experimento de Grimm y propuso la hipótesis de que "la luz es una onda longitudinal del éter" observando el color de la película de las pompas de jabón. Partiendo de esta suposición, Hooke también creía que el color de la luz está determinado por su frecuencia.
Sin embargo, en 1672, el gran Newton habló de su experimento de dispersión de la luz en su artículo "Un nuevo tratado sobre la luz y el color": dejar pasar la luz del sol a través de un pequeño agujero e iluminar un prisma en una habitación oscura. en la pared opuesta y obtendrás un espectro de colores. Creía que la recombinación y descomposición de la luz era como partículas de diferentes colores que se mezclaban y separaban. En este artículo, utilizó la teoría de partículas para elaborar la teoría del color de la luz. El primer debate entre la teoría ondulatoria y la teoría de partículas se inició con la mecha "el color de la luz". A partir de entonces, se produjo un largo y acalorado debate entre Hooke y Newton.
El 6 de febrero de 1672, el Comité de Revisión de la Royal Society, presidido por Hooke y compuesto por Hooke y Boyle, tuvo básicamente una actitud negativa hacia el artículo de Newton "Una nueva teoría de la luz y el color". Newton no negó completamente la teoría ondulatoria al principio, ni apoyó la teoría de las partículas. Pero después del debate, Newton refutó la teoría ondulatoria de Hooke en muchos artículos. Dado que Newton y Hooke no formaron una teoría completa en ese momento, el debate entre la teoría ondulatoria y la teoría de partículas no se desarrolló completamente. Pero eso es lo que es el argumento científico. Una vez que aparezcan, deberíamos llegar al fondo del asunto.
Huygens fue un famoso astrónomo, físico y matemático holandés. Apoyó la teoría ondulatoria y heredó y mejoró las ideas de Hooke.
Huygens hizo importantes contribuciones en astronomía, física y ciencias técnicas en sus primeros años, y estudió sistemáticamente la óptica geométrica. En 1666, Huygens fue invitado a la Academia de Ciencias de París y comenzó a estudiar óptica física. Mientras era académico, Huygens fue a Inglaterra y conoció a Newton en Cambridge. Se admiraban mucho e intercambiaban puntos de vista sobre la naturaleza de la luz. Sin embargo, en ese momento las opiniones de Huygens se inclinaban más hacia la teoría ondulatoria, por lo que él y Newton tenían diferencias. Fue esta diferencia la que inspiró la pasión de Huygens por la óptica física. Después de regresar a París, Huygens repitió los experimentos ópticos de Newton. Estudió cuidadosamente los experimentos ópticos de Newton y el primer experimento de Glinma, y creía que había muchos fenómenos que no podían explicarse mediante la teoría de partículas. Por tanto, propuso una teoría ondulatoria relativamente completa.
Huygens creía que la luz es una onda mecánica; la onda de luz es una onda longitudinal que se propaga a través de un portador material, y el portador material que la propaga es el "éter" cada punto de la superficie de la onda en sí es un; Fuente de onda que provoca la vibración del medio. Según esta teoría, Huygens demostró las leyes de reflexión y refracción de la luz, y también explicó los fenómenos de difracción y birrefringencia de la luz y el famoso experimento del "Anillo de Newton". Si estas teorías no son fáciles de entender, Huygens citó un ejemplo de la vida real para refutar la teoría de las partículas. Si la luz está compuesta de partículas, durante la propagación de la luz inevitablemente habrá colisiones entre partículas, lo que inevitablemente conducirá a un cambio en la dirección de propagación de la luz. Pero ese no es el caso.
Mientras Huygens promovió activamente la teoría ondulatoria, la teoría de partículas de Newton se fue estableciendo gradualmente. Newton revisó y mejoró su obra óptica "Óptica". Basándose en varios experimentos, en su libro "Óptica", Newton propuso dos razones para refutar a Huygens: en primer lugar, si la luz es una onda, debería poder sortear obstáculos y no producir sombras como las ondas sonoras. En segundo lugar, la birrefringencia del continente helado. La piedra muestra que la luz tiene diferentes propiedades en diferentes superficies, y la teoría ondulatoria no puede explicar la razón. Por otro lado, Newton extendió su visión de las partículas materiales a toda la naturaleza y la integró con su sistema de mecánica de partículas, encontrando un fuerte respaldo para la teoría de partículas.
Para evitar más disputas con Hooke, la óptica se lanzó oficialmente en el segundo año después de la muerte de Hooke (1704). Pero para entonces Huygens y Hooke habían muerto, y Bo dijo que nadie estaba peleando. Newton se convirtió en una generación incomparable de gigantes científicos en ese momento debido a su enorme contribución a la comunidad científica. A medida que la reputación de Newton crecía, la gente adoraba sus teorías, repetía sus experimentos y creía en las mismas conclusiones que él. A lo largo del siglo XVIII, pocos cuestionaron las partículas y pocos realizaron más investigaciones sobre la naturaleza de la luz.
A finales del siglo XVIII, bajo la influencia de la filosofía natural alemana, las mentes de las personas se fueron liberando gradualmente. El famoso físico británico Thomas Young empezó a dudar de la teoría óptica de Newton. Basándose en algunos hechos experimentales, Yang escribió un artículo "Experimentos y problemas de luz y armonía" en 1800. En este artículo, Yang es relativamente ligero sobre las series armoniosas, porque cuando las dos se superponen, ambas se fortalecen o debilitan. Creía que la luz era una vibración elástica que se propagaba en la corriente de éter y señaló que la luz se propagaba en forma de ondas longitudinales. También señaló que los diferentes colores de luz y las diferentes frecuencias de sonido son similares. En 1801, Young llevó a cabo el famoso experimento de interferencia de la doble rendija. Las franjas blancas y negras en la pantalla blanca utilizada en el experimento demostraron el fenómeno de la interferencia de la luz, demostrando así que la luz es una onda. Ese mismo año, Yang publicó un artículo en el Philosophical Journal of the Royal Society, explicando el experimento del anillo de Newton y su propio experimento respectivamente, y propuso por primera vez el concepto y la ley de la interferencia de la luz.
En 1803, Yang escribió un artículo "Experimentos y cálculos en óptica física". Explicó además el fenómeno de la difracción de la luz basándose en la ley de interferencia de la luz, creyendo que la difracción es causada por la interferencia de haces directos y rayos reflejados. Pero como creía que la luz era una onda longitudinal, se encontró con muchos problemas en teoría. Su teoría fue duramente criticada por el político británico Brougham, calificándola de "ilógica", "absurda" y "inútil".
Aunque la teoría de Yang y sus posteriores refutaciones no recibieron suficiente atención o incluso fueron denigradas, su teoría despertó el interés de la escuela newtoniana por la investigación óptica.
En 1808, Laplace utilizó la teoría de partículas para analizar el fenómeno de birrefringencia de la luz y refutó la teoría ondulatoria de Young.
En 1809, Marius descubrió la polarización de la luz en un experimento.
Al estudiar más a fondo la polarización en la refracción simple de la luz, descubrió que la luz está parcialmente polarizada cuando se refracta. Huygens propuso una vez que la luz es una onda longitudinal y que las ondas longitudinales no pueden polarizarse de esta manera. Este hallazgo sirve como una fuerte evidencia contra la teoría ondulatoria.
En 1811, Luster descubrió la ley empírica de la luz polarizada mientras estudiaba la polarización de la luz.
El descubrimiento de la polarización de la luz y la ley de polarización pusieron en peligro la teoría ondulatoria de aquella época y provocaron que la investigación de la óptica física se desarrollara en la dirección de la teoría de partículas.
Ante esta situación, Yang realizó una profunda investigación sobre la óptica. En 1817 abandonó la teoría de Huygens de que la luz es una onda longitudinal y propuso la hipótesis de que la luz es una onda transversal, explicando con éxito la polarización de la luz. Después de absorber algunas ideas newtonianas, estableció una nueva teoría ondulatoria. Young escribió sus nuevas ideas al newtoniano Arago.
La Academia de Ciencias de París premia el mejor trabajo sobre interferencia de la luz. Fresnel, ingeniero civil, también participó en el debate entre la teoría ondulatoria y la teoría de partículas. En 1815, Fresnel intentó revivir la teoría ondulatoria de Huygens, pero no tenía nada que ver con el artículo de Young sobre la difracción de aquella época. En su artículo, propuso que la interferencia de varias ondas da a la onda resultante su intensidad significativa. De hecho, su teoría es exactamente opuesta a la de Young. Más tarde, Arago le explicó la nueva teoría de Young de que la luz es una onda transversal, y Fresnel comenzó su investigación basándose en la teoría de Young. En 1819, Fresnel completó con éxito el experimento de interferencia de dos espejos planos que producían fuentes de luz coherentes, lo que demostró nuevamente la teoría de la fluctuación de la luz después del experimento de interferencia de Young. Después de estudiar durante un tiempo con Fresnel, Arago se dedicó a la teoría ondulatoria. A finales de 1819, tras los experimentos cualitativos de Fresnel sobre la dirección de propagación de la luz, él y Arago establecieron la teoría de la propagación transversal de las ondas luminosas.
En 1882, el astrónomo alemán Fraunhofer utilizó rejillas para estudiar por primera vez el fenómeno de difracción de la luz. Después de él, otro físico alemán, Schweldt, explicó con éxito el fenómeno de difracción de la luz a través de rejillas basándose en la nueva teoría de las ondas luminosas.
A estas alturas, la teoría de la nueva ola ha quedado firmemente establecida. La teoría de partículas empezó a empeorar.
Con el establecimiento de la teoría ondulatoria de la luz, la gente empezó a buscar el portador de las ondas luminosas y la teoría del éter volvió a estar activa. Algunos científicos famosos se han convertido en representantes de la teoría del éter. Sin embargo, la gente encontró muchas dificultades en el proceso de búsqueda del éter, por lo que se propusieron diversas hipótesis y el éter se convirtió en uno de los focos del siglo XIX.
Cuando Fresnel estudiaba el éter, descubrió que el medio de las ondas transversales debía ser un sólido y si el éter fuera un sólido, ¿cómo no iba a interferir con el libre movimiento de los cuerpos celestes? Poco después, Poisson también descubrió un problema: si el éter es un sólido, entonces en las vibraciones transversales de la luz deben existir vibraciones longitudinales, lo que contradice la nueva teoría de las ondas luminosas.
Para solucionar diversos problemas, Cauchy propuso en 1839 la tercera teoría del éter, que creía que el éter era un medio negativo compresible. Intentó solucionar las dificultades planteadas por Poisson. En 1845, Stokes hizo una analogía utilizando parafina, brea y goma para intentar ilustrar que algunas sustancias eran lo suficientemente duras como para transmitir vibraciones transversales y comprimirse y estirarse, de modo que no afectarían el movimiento de los cuerpos celestes.
En 1887, el físico británico Michelson y el químico Murray negaron la existencia del éter mediante el experimento de la "deriva del éter". Pero desde entonces, muchos científicos han seguido estudiando el éter. Incluso después de que se propusieron la teoría electromagnética de la luz de Faraday y la teoría electromagnética de la luz de Maxwell, muchos científicos se dedicaron al estudio del éter.
A mediados y finales del siglo XIX, la teoría ondulatoria logró una victoria decisiva en el debate entre la teoría ondulatoria y la teoría de partículas de la luz. Sin embargo, las dificultades que encontraron las personas para encontrar portadores de ondas luminosas mostraron la crisis que enfrenta la teoría ondulatoria.
En 1887, el científico alemán Hertz descubrió el efecto fotoeléctrico, ¡y se demostró una vez más la naturaleza partícula de la luz!
A principios del siglo XX, Planck y Einstein propusieron la teoría cuántica de la luz. En 1921, Einstein ganó el Premio Nobel de Física por sus logros en "la dualidad onda-partícula de la luz".
En 1921, Compton demostró experimentalmente la naturaleza partícula de los rayos X.
En 1927, Gemel y más tarde George Thomson demostraron que los haces de electrones tienen propiedades ondulatorias. Al mismo tiempo, la gente también demostró que los rayos atómicos de helio, los rayos atómicos de hidrógeno y los rayos moleculares de hidrógeno tienen propiedades ondulatorias.
Ante nuevos hechos y teorías, el debate entre la teoría ondulatoria y la teoría partícula de la luz llegó a su fin con la conclusión de que "la luz tiene dualidad onda-partícula".
El debate entre la teoría ondulatoria y la teoría partícula de la luz comenzó con las dos hipótesis propuestas por Descartes a principios del siglo XVII y terminó con la dualidad onda-partícula de la luz a principios del siglo XX, durando más de 300 años. Muchos científicos famosos, como Newton, Huygens, Thomas Young y Fresnel, se convirtieron en los principales polemistas de ambos lados de este debate. Fueron sus esfuerzos los que revelaron el velo confuso que cubría la "naturaleza de la luz"