stringtranslate.com

Свет

Треугольная призма, рассеивающая луч белого света. Длинные волны (красные) и короткие волны (зелено-синие) разделены.

Свет , видимый свет или видимое излучение — это электромагнитное излучение , которое может восприниматься человеческим глазом . [1] Видимый свет охватывает видимый спектр и обычно определяется как имеющий длины волн в диапазоне 400–700 нанометров (нм), что соответствует частотам 750–420 терагерц . Видимый диапазон находится рядом с инфракрасным ( с более длинными волнами и более низкими частотами) и ультрафиолетовым (с более короткими волнами и более высокими частотами), которые в совокупности называются оптическим излучением . [2] [3]

В физике термин «свет» может относиться более широко к электромагнитному излучению любой длины волны, видимой или нет. [4] [5] В этом смысле гамма-лучи , рентгеновские лучи , микроволны и радиоволны также являются светом. Основными свойствами света являются интенсивность , направление распространения, частота или спектр длин волн и поляризация . Его скорость в вакууме ,299 792 458  м/с , является одной из фундаментальных констант природы. [6] Как и все типы электромагнитного излучения, видимый свет распространяется безмассовыми элементарными частицами, называемыми фотонами , которые представляют собой кванты электромагнитного поля, и могут быть проанализированы как волны, так и частицы . Изучение света, известное как оптика , является важной областью исследований в современной физике .

Основным источником естественного света на Земле является Солнце . Исторически другим важным источником света для людей был огонь , от древних костров до современных керосиновых ламп . С развитием электрического освещения и энергосистем электрическое освещение фактически заменило свет костра.

Электромагнитный спектр и видимый свет

Электромагнитный спектр , с выделенной видимой частью . Нижний график (Видимый спектр) - длина волны в единицах нанометров (нм).

В целом, электромагнитное излучение (ЭМИ) классифицируется по длине волны на радиоволны , микроволны , инфракрасное излучение , видимый спектр , который мы воспринимаем как свет, ультрафиолет , рентгеновские лучи и гамма-лучи . Обозначение « излучение » исключает статические электрические , магнитные и ближние поля .

Поведение ЭМИ зависит от его длины волны. Более высокие частоты имеют более короткие длины волн, а более низкие частоты имеют более длинные длины волн. Когда ЭМИ взаимодействует с отдельными атомами и молекулами, его поведение зависит от количества энергии на квант, который он переносит.

ЭМИ в видимой области света состоит из квантов (называемых фотонами ), которые находятся на нижнем конце энергий, которые способны вызывать электронное возбуждение внутри молекул, что приводит к изменениям в связях или химии молекулы. На нижнем конце видимого спектра света ЭМИ становится невидимым для человека (инфракрасным), поскольку его фотоны больше не обладают достаточной индивидуальной энергией, чтобы вызвать длительное молекулярное изменение (изменение конформации) в зрительной молекуле сетчатки в сетчатке человека, которое вызывает ощущение зрения.

Существуют животные, которые чувствительны к различным типам инфракрасного излучения, но не посредством квантового поглощения. Инфракрасное восприятие у змей зависит от своего рода естественного тепловидения , при котором крошечные пакеты клеточной воды нагреваются инфракрасным излучением. ЭМИ в этом диапазоне вызывает молекулярную вибрацию и эффекты нагрева, что и позволяет этим животным его обнаружить.

Выше диапазона видимого света ультрафиолетовый свет становится невидимым для человека, в основном потому, что он поглощается роговицей ниже 360 нм и внутренней линзой ниже 400 нм. Кроме того, палочки и колбочки, расположенные в сетчатке человеческого глаза, не могут обнаруживать очень короткие (ниже 360 нм) ультрафиолетовые длины волн и фактически повреждаются ультрафиолетом. Многие животные с глазами, которым не нужны линзы (например, насекомые и креветки), способны обнаруживать ультрафиолет с помощью механизмов квантового поглощения фотонов, во многом тем же химическим способом, которым люди обнаруживают видимый свет.

Различные источники определяют видимый свет от узкого диапазона 420–680 нм [7] [8] до широкого диапазона 380–800 нм. [9] [10] В идеальных лабораторных условиях люди могут видеть инфракрасное излучение длиной волны не менее 1050 нм; [11] дети и молодые люди могут воспринимать ультрафиолетовые волны длиной волны до 310–313 нм. [12] [13] [14]

На рост растений также влияет цветовой спектр света. Этот процесс известен как фотоморфогенез .

Скорость света

Луч солнечного света внутри пещеры Рокка-иль-Абиссу в Фондакелли-Фантина , Сицилия

Скорость света в вакууме определяется как 299 792 458  м/с (приблизительно 186 282 миль в секунду). Фиксированное значение скорости света в единицах СИ является результатом того, что метр теперь определяется через скорость света. Все формы электромагнитного излучения движутся с точно такой же скоростью в вакууме.

Разные физики пытались измерить скорость света на протяжении всей истории. Галилей пытался измерить скорость света в семнадцатом веке. Ранний эксперимент по измерению скорости света был проведен Оле Рёмером , датским физиком, в 1676 году. Используя телескоп , Рёмер наблюдал за движениями Юпитера и одного из его спутников , Ио . Отмечая расхождения в кажущемся периоде орбиты Ио, он подсчитал, что свету требуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли. [15] Однако ее размер в то время не был известен. Если бы Рёмер знал диаметр орбиты Земли, он бы вычислил скорость227 000 000  м/с .

Еще одно более точное измерение скорости света было выполнено в Европе Ипполитом Физо в 1849 году. [16] Физо направил луч света на зеркало, находящееся в нескольких километрах. Вращающееся зубчатое колесо было помещено на пути светового луча, когда он шел от источника к зеркалу, а затем возвращался к своему началу. Физо обнаружил, что при определенной скорости вращения луч будет проходить через один зазор в колесе на выходе и через следующий зазор на обратном пути. Зная расстояние до зеркала, количество зубцов на колесе и скорость вращения, Физо смог вычислить скорость света как313 000 000  м/с .

Леон Фуко провел эксперимент, в котором использовал вращающиеся зеркала, чтобы получить значение 298 000 000 м/с [16] в 1862 году. Альберт А. Майкельсон проводил эксперименты по скорости света с 1877 года до своей смерти в 1931 году. Он усовершенствовал методы Фуко в 1926 году, используя улучшенные вращающиеся зеркала, чтобы измерить время, необходимое свету для прохождения кругового пути от горы Вильсон до горы Сан-Антонио в Калифорнии. Точные измерения дали скорость 299 796 000 м/с. [17]

Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, содержащих обычную материю , меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет около 3/4 от скорости света в вакууме.

Две независимые группы физиков, как утверждается, привели свет к «полной остановке», пропустив его через конденсат Бозе-Эйнштейна элемента рубидия , одна группа в Гарвардском университете и Институте науки Роуленда в Кембридже, штат Массачусетс, а другая в Гарвардско-Смитсоновском центре астрофизики , также в Кембридже. [18] Однако популярное описание света, «остановленного» в этих экспериментах, относится только к свету, хранящемуся в возбужденных состояниях атомов, а затем повторно испускаемому в произвольное более позднее время, стимулируемому вторым лазерным импульсом. За то время, пока он «останавливался», он перестал быть светом.

Оптика

Изучение света и взаимодействия света и материи называется оптикой . Наблюдение и изучение оптических явлений, таких как радуга и северное сияние, дает много подсказок относительно природы света.

Прозрачный объект позволяет свету проходить или пропускать его. И наоборот, непрозрачный объект не позволяет свету проходить через него, а вместо этого отражает или поглощает свет, который он получает. Большинство объектов не отражают и не пропускают свет зеркально и в некоторой степени рассеивают входящий свет, что называется глянцевитостью . Поверхностное рассеяние вызвано шероховатостью поверхности отражающих поверхностей, а внутреннее рассеяние вызвано разницей показателей преломления между частицами и средой внутри объекта. Подобно прозрачным объектам, полупрозрачные объекты пропускают свет, но полупрозрачные объекты также рассеивают определенную длину волны света посредством внутреннего рассеяния. [19]

Рефракция

Из-за преломления соломинка, погруженная в воду, кажется изогнутой, а шкала линейки сжатой, если смотреть под небольшим углом.

Рефракция — это изгиб световых лучей при прохождении через поверхность между одним прозрачным материалом и другим. Она описывается законом Снеллиуса :

где θ 1 — угол между лучом и нормалью к поверхности в первой среде, θ 2 — угол между лучом и нормалью к поверхности во второй среде, а n 1 и n 2 — показатели преломления , n = 1 в вакууме и n > 1 в прозрачном веществе .

Когда луч света пересекает границу между вакуумом и другой средой или между двумя различными средами, длина волны света изменяется, но частота остается постоянной. Если луч света не ортогонален (или, скорее, не нормален) границе, изменение длины волны приводит к изменению направления луча. Это изменение направления известно как рефракция .

Преломляющее свойство линз часто используется для манипулирования светом с целью изменения видимого размера изображений. Увеличительные стекла , очки , контактные линзы , микроскопы и рефракционные телескопы — все это примеры такой манипуляции.

Источники света

Существует множество источников света. Тело при заданной температуре излучает характерный спектр излучения черного тела . Простым тепловым источником является солнечный свет , излучение, испускаемое хромосферой Солнца при температуре около 6000  К (5730  °C ; 10 340  °F ). Солнечное излучение достигает пика в видимой области электромагнитного спектра при отображении в единицах длины волны, [20] и примерно 44% излучения, достигающего земли, является видимым. [ 21] Другим примером являются лампы накаливания , которые излучают только около 10% своей энергии в виде видимого света, а остальное — в виде инфракрасного. Распространенным тепловым источником света в истории являются светящиеся твердые частицы в пламени , но они также излучают большую часть своего излучения в инфракрасном диапазоне и только часть в видимом спектре.

Пик спектра черного тела находится в глубоком инфракрасном диапазоне, на длине волны около 10 микрометров , для относительно холодных объектов, таких как люди. По мере повышения температуры пик смещается в сторону более коротких длин волн, производя сначала красное свечение, затем белое и, наконец, сине-белый цвет, поскольку пик выходит из видимой части спектра в ультрафиолет. Эти цвета можно увидеть, когда металл нагревается до «красного каления» или «белого каления». Сине-белое тепловое излучение наблюдается нечасто, за исключением звезд (обычно наблюдаемый чисто-синий цвет в газовом пламени или сварочной горелке на самом деле обусловлен молекулярным излучением, в частности, радикалами CH, испускающими полосу длин волн около 425 нм, и не наблюдается в звездах или чистом тепловом излучении).

Атомы излучают и поглощают свет с характерными энергиями. Это создает « линии излучения » в спектре каждого атома. Излучение может быть спонтанным , как в светодиодах , газоразрядных лампах (таких как неоновые лампы и неоновые вывески , ртутные лампы и т. д.) и пламени (свет от самого горячего газа — так, например, натрий в газовом пламени излучает характерный желтый свет). Излучение также может быть стимулированным , как в лазере или микроволновом мазере .

Замедление свободной заряженной частицы, такой как электрон , может производить видимое излучение: циклотронное излучение , синхротронное излучение и тормозное излучение — все это примеры этого. Частицы, движущиеся через среду быстрее скорости света в этой среде, могут производить видимое излучение Черенкова . Некоторые химические вещества производят видимое излучение посредством хемолюминесценции . В живых существах этот процесс называется биолюминесценцией . Например, светлячки производят свет таким образом, а лодки, движущиеся по воде, могут беспокоить планктон, который производит светящийся след.

Некоторые вещества излучают свет, когда они освещаются более энергичным излучением, этот процесс известен как флуоресценция . Некоторые вещества излучают свет медленно после возбуждения более энергичным излучением. Это известно как фосфоресценция . Фосфоресцентные материалы также можно возбуждать, бомбардируя их субатомными частицами. Катодолюминесценция является одним из примеров. Этот механизм используется в телевизорах с электронно-лучевой трубкой и компьютерных мониторах .

Гонконг освещен красочным искусственным освещением

Некоторые другие механизмы могут производить свет:

Когда понятие света подразумевает включение в него фотонов очень высокой энергии (гамма-лучей), то к дополнительным механизмам генерации относятся:

Измерение

Свет измеряется двумя основными альтернативными наборами единиц: радиометрия состоит из измерений мощности света на всех длинах волн, в то время как фотометрия измеряет свет с длиной волны, взвешенной относительно стандартизированной модели восприятия яркости человеком. Фотометрия полезна, например, для количественной оценки Освещения (освещения), предназначенного для использования человеком.

Единицы фотометрии отличаются от большинства систем физических единиц тем, что они учитывают, как человеческий глаз реагирует на свет. Колбочки в человеческом глазу бывают трех типов, которые по-разному реагируют в видимом спектре, а кумулятивный отклик достигает пика на длине волны около 555 нм. Поэтому два источника света, которые производят одинаковую интенсивность (Вт/м2 ) видимого света, не обязательно кажутся одинаково яркими. Единицы фотометрии разработаны с учетом этого и, следовательно, являются лучшим представлением того, насколько «ярким» кажется свет, чем чистая интенсивность. Они соотносятся с чистой мощностью с величиной, называемой световой эффективностью , и используются для таких целей, как определение того, как наилучшим образом достичь достаточного освещения для различных задач в помещениях и на открытом воздухе. Освещенность, измеренная датчиком фотоэлемента , не обязательно соответствует тому, что воспринимается человеческим глазом, и без фильтров, которые могут быть дорогостоящими, фотоэлементы и приборы с зарядовой связью (ПЗС) имеют тенденцию реагировать на некоторое инфракрасное , ультрафиолетовое или и то, и другое.

Легкое давление

Свет оказывает физическое давление на объекты на своем пути, явление, которое можно вывести из уравнений Максвелла , но его проще объяснить корпускулярной природой света: фотоны ударяются и передают свой импульс. Давление света равно мощности светового луча, деленной на c , скорость света.  Из-за величины c , эффект давления света пренебрежимо мал для повседневных объектов.  Например, лазерная указка мощностью в один милливатт оказывает силу около 3,3 пиконьютонов на освещаемый объект; таким образом, можно поднять американский пенни с помощью лазерных указок, но для этого потребуется около 30 миллиардов лазерных указок мощностью 1 мВт. [22]  Однако в приложениях нанометрового масштаба, таких как наноэлектромеханические системы (НЭМС), эффект давления света более существенен, и использование давления света для управления механизмами НЭМС и переключения физических переключателей нанометрового масштаба в интегральных схемах является активной областью исследований. [23] В более крупных масштабах световое давление может заставить астероиды вращаться быстрее, [24] действуя на их неправильные формы как на лопасти ветряной мельницы . Также изучается  возможность создания солнечных парусов , которые будут ускорять космические корабли в космосе. [25] [26]

Хотя движение радиометра Крукса изначально приписывалось давлению света, эта интерпретация неверна; характерное вращение Крукса является результатом частичного вакуума. [27] Это не следует путать с радиометром Николса , в котором (небольшое) движение, вызванное крутящим моментом (хотя и недостаточным для полного вращения против трения), напрямую вызвано давлением света. [28] Как следствие давления света, Эйнштейн в 1909 году предсказал существование «лучевого трения», которое будет противодействовать движению материи. [29] Он писал: «излучение будет оказывать давление на обе стороны пластины. Силы давления, оказываемые на обе стороны, равны, если пластина находится в состоянии покоя. Однако, если она движется, больше излучения будет отражаться на поверхности, которая находится впереди во время движения (передняя поверхность), чем на задней поверхности. Действующая в обратном направлении сила давления, оказываемая на переднюю поверхность, таким образом, больше силы давления, действующей на заднюю поверхность. Следовательно, как равнодействующая двух сил, остается сила, которая противодействует движению пластины и которая увеличивается со скоростью пластины. Мы будем кратко называть эту результирующую «трением излучения».

Обычно импульс света совпадает с направлением его движения. Однако, например, в затухающих волнах импульс поперечный направлению распространения. [30]

Исторические теории о свете в хронологическом порядке

Классическая Греция и эллинизм

В пятом веке до нашей эры Эмпедокл постулировал, что все состоит из четырех элементов : огня, воздуха, земли и воды. Он считал, что богиня Афродита создала человеческий глаз из четырех элементов и что она зажгла огонь в глазу, который сиял из глаза, делая возможным зрение. Если бы это было правдой, то человек мог бы видеть ночью так же хорошо, как и днем, поэтому Эмпедокл постулировал взаимодействие между лучами из глаз и лучами из такого источника, как солнце. [31]

Около 300 г. до н. э. Евклид написал «Оптику» , в которой изучал свойства света. Евклид постулировал, что свет распространяется по прямым линиям, и он описал законы отражения и изучил их математически. Он усомнился в том, что зрение является результатом луча из глаза, поскольку он спрашивает, как человек видит звезды немедленно, если он закроет глаза, а затем откроет их ночью. Если луч из глаза распространяется бесконечно быстро, это не проблема. [32]

В 55 г. до н. э. Лукреций , римлянин, продолживший идеи более ранних греческих атомистов , писал, что «Свет и тепло солнца состоят из мельчайших атомов, которые, когда их отталкивают, не теряя времени, устремляются прямо через воздушное пространство в направлении, заданном толчком». (из «О природе Вселенной »). Несмотря на то, что взгляды Лукреция были схожи с более поздними теориями частиц, они не были общепринятыми. Птолемей (ок. II в.) писал о преломлении света в своей книге «Оптика» . [33]

Классическая Индия

В древней Индии индуистские школы санкхья и вайшешика примерно с первых веков нашей эры разрабатывали теории света. Согласно школе санкхья, свет является одним из пяти фундаментальных «тонких» элементов ( танматра ), из которых возникают грубые элементы. Атомичность этих элементов специально не упоминается, и, по-видимому, они фактически считались непрерывными. [34] Вишну -пурана называет солнечный свет «семью лучами солнца». [34]

Индийские буддисты , такие как Дигнага в пятом веке и Дхармакирти в седьмом веке, разработали тип атомизма, который является философией о реальности, состоящей из атомарных сущностей, которые являются мгновенными вспышками света или энергии. Они рассматривали свет как атомарную сущность, эквивалентную энергии. [34]

Декарт

Рене Декарт (1596–1650) считал, что свет является механическим свойством светящегося тела, отвергая «формы» Ибн аль-Хайтама и Витело, а также «виды» Роджера Бэкона , Роберта Гроссетеста и Иоганна Кеплера . [35] В 1637 году он опубликовал теорию преломления света, которая ошибочно предполагала, что свет распространяется быстрее в более плотной среде, чем в менее плотной. Декарт пришел к этому выводу по аналогии с поведением звуковых волн. [ необходима цитата ] Хотя Декарт ошибался относительно относительных скоростей, он был прав, предполагая, что свет ведет себя как волна, и делая вывод, что преломление можно объяснить скоростью света в различных средах.

Декарт не первый, кто использовал механические аналогии, но поскольку он ясно утверждает, что свет является лишь механическим свойством светящегося тела и передающей среды, теория света Декарта считается началом современной физической оптики. [35]

Теория частиц

Пьер Гассенди

Пьер Гассенди (1592–1655), атомист, предложил корпускулярную теорию света, которая была опубликована посмертно в 1660-х годах. Исаак Ньютон изучал работу Гассенди в раннем возрасте и предпочел его точку зрения теории Декарта о пленуме . В своей «Гипотезе света» 1675 года он утверждал, что свет состоит из корпускул (частиц материи), которые испускаются во всех направлениях от источника. Одним из аргументов Ньютона против волновой природы света было то, что волны, как известно, огибают препятствия, в то время как свет распространяется только по прямым линиям. Однако он объяснил явление дифракции света (которое наблюдал Франческо Гримальди ), допустив, что частица света может создавать локализованную волну в эфире .

Теория Ньютона могла быть использована для предсказания отражения света, но могла объяснить преломление только путем неверного предположения, что свет ускоряется при входе в более плотную среду , потому что гравитационное притяжение было больше. Ньютон опубликовал окончательную версию своей теории в своей Opticks в 1704 году. Его репутация помогла корпускулярной теории света удерживать господство в течение восемнадцатого века. Корпускулярная теория света привела Пьера-Симона Лапласа к утверждению, что тело может быть настолько массивным, что свет не сможет вырваться из него. Другими словами, оно станет тем, что сейчас называется черной дырой . Лаплас отозвал свое предположение позже, после того как волновая теория света прочно утвердилась в качестве модели для света (как было объяснено, ни корпускулярная, ни волновая теория не являются полностью правильными). Перевод эссе Ньютона о свете появился в The Large scale structure of space-time , Стивена Хокинга и Джорджа Ф. Р. Эллиса .

Тот факт, что свет может быть поляризован , впервые качественно объяснил Ньютон с помощью корпускулярной теории. Этьен-Луи Малюс в 1810 году создал математическую корпускулярную теорию поляризации. Жан-Батист Био в 1812 году показал, что эта теория объясняет все известные явления поляризации света. В то время поляризация считалась доказательством корпускулярной теории.

Теория волн

Чтобы объяснить происхождение цветов , Роберт Гук (1635–1703) разработал «теорию импульсов» и сравнил распространение света с распространением волн в воде в своей работе 1665 года Micrographia («Наблюдение IX»). В 1672 году Гук предположил, что колебания света могут быть перпендикулярны направлению распространения. Христиан Гюйгенс (1629–1695) разработал математическую волновую теорию света в 1678 году и опубликовал ее в своем «Трактате о свете» в 1690 году. Он предположил, что свет излучается во всех направлениях в виде серии волн в среде, называемой светоносным эфиром . Поскольку волны не подвержены гравитации, предполагалось, что они замедляются при входе в более плотную среду. [36]

Христиан Гюйгенс
Эскиз Томаса Юнга эксперимента с двумя щелями, демонстрирующий дифракцию . Эксперименты Юнга подтвердили теорию о том, что свет состоит из волн.

Волновая теория предсказывала, что световые волны могут интерферировать друг с другом подобно звуковым волнам (как заметил около 1800 года Томас Янг ). Янг показал с помощью дифракционного эксперимента , что свет ведет себя как волны. Он также предположил, что разные цвета вызваны разными длинами волн света и объяснил цветовое зрение с точки зрения трехцветных рецепторов в глазу. Другим сторонником волновой теории был Леонард Эйлер . Он утверждал в Nova theoria lucis et colorum (1746), что дифракцию легче объяснить волновой теорией. В 1816 году Андре-Мари Ампер подал Огюстену-Жану Френелю идею о том, что поляризацию света можно объяснить волновой теорией, если бы свет был поперечной волной . [37]

Позже Френель независимо разработал свою собственную волновую теорию света и представил ее в Академии наук в 1817 году. Симеон Дени Пуассон дополнил математическую работу Френеля, чтобы предоставить убедительный аргумент в пользу волновой теории, помогая опровергнуть корпускулярную теорию Ньютона. [ сомнительно – обсудить ] К 1821 году Френель смог показать с помощью математических методов, что поляризация может быть объяснена волновой теорией света тогда и только тогда, когда свет является полностью поперечным, без каких-либо продольных колебаний. [ необходима цитата ]

Слабость волновой теории заключалась в том, что световым волнам, как и звуковым, требовалась среда для передачи. Существование гипотетической субстанции светоносного эфира, предложенной Гюйгенсом в 1678 году, было подвергнуто серьезным сомнениям в конце девятнадцатого века экспериментом Майкельсона-Морли .

Корпускулярная теория Ньютона подразумевала, что свет будет двигаться быстрее в более плотной среде, в то время как волновая теория Гюйгенса и других подразумевала противоположное. В то время скорость света не могла быть измерена достаточно точно, чтобы решить, какая теория верна. Первым, кто провел достаточно точное измерение, был Леон Фуко в 1850 году. [38] Его результат подтвердил волновую теорию, и классическая корпускулярная теория была окончательно заброшена (только чтобы частично возродиться в двадцатом веке в виде фотонов в квантовой теории ).

Электромагнитная теория

Линейно поляризованная электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль оси z, где E обозначает электрическое поле , а перпендикуляр B обозначает магнитное поле.

В 1845 году Майкл Фарадей открыл, что плоскость поляризации линейно поляризованного света вращается, когда световые лучи движутся вдоль направления магнитного поля в присутствии прозрачного диэлектрика , эффект, который теперь известен как вращение Фарадея . [39] Это было первым доказательством того, что свет связан с электромагнетизмом . В 1846 году он предположил, что свет может быть некоторой формой возмущения, распространяющегося вдоль линий магнитного поля. [39] В 1847 году Фарадей предположил, что свет представляет собой высокочастотную электромагнитную вибрацию, которая может распространяться даже при отсутствии среды, такой как эфир. [40]

Работа Фарадея вдохновила Джеймса Клерка Максвелла на изучение электромагнитного излучения и света. Максвелл обнаружил, что самораспространяющиеся электромагнитные волны будут перемещаться в пространстве с постоянной скоростью, которая оказалась равной ранее измеренной скорости света. Из этого Максвелл сделал вывод, что свет является формой электромагнитного излучения: он впервые сформулировал этот результат в 1862 году в работе « О физических силовых линиях» . В 1873 году он опубликовал «Трактат об электричестве и магнетизме» , который содержал полное математическое описание поведения электрических и магнитных полей, до сих пор известное как уравнения Максвелла . Вскоре после этого Генрих Герц экспериментально подтвердил теорию Максвелла, сгенерировав и обнаружив радиоволны в лаборатории и продемонстрировав, что эти волны ведут себя точно так же, как видимый свет, демонстрируя такие свойства, как отражение, преломление, дифракция и интерференция . Теория Максвелла и эксперименты Герца привели непосредственно к развитию современного радио, радара, телевидения, электромагнитной визуализации и беспроводной связи.

В квантовой теории фотоны рассматриваются как волновые пакеты волн, описанных в классической теории Максвелла. Квантовая теория была необходима для объяснения эффектов даже с визуальным светом, которые классическая теория Максвелла не могла объяснить (например, спектральные линии ).

Квантовая теория

В 1900 году Макс Планк , пытаясь объяснить излучение черного тела , предположил, что хотя свет является волной, эти волны могут приобретать или терять энергию только в конечных количествах, связанных с их частотой. Планк назвал эти «куски» световой энергии « квантами » (от латинского слова, означающего «сколько»). В 1905 году Альберт Эйнштейн использовал идею квантов света для объяснения фотоэлектрического эффекта и предположил, что эти кванты света имеют «реальное» существование. В 1923 году Артур Холли Комптон показал, что сдвиг длины волны, наблюдаемый при рассеянии рентгеновских лучей низкой интенсивности на электронах (так называемое комптоновское рассеяние ), может быть объяснен корпускулярной теорией рентгеновских лучей, но не волновой теорией. В 1926 году Гилберт Н. Льюис назвал эти кванты света частицами фотонами . [41]

В конце концов квантовая механика пришла к изображению света как (в некотором смысле) и как частицы, и как волны, и (в другом смысле) как явления, которое не является ни частицей, ни волной (которые на самом деле являются макроскопическими явлениями, такими как бейсбольные мячи или океанские волны). Вместо этого, при некоторых приближениях свет может быть описан иногда с помощью математики, соответствующей одному типу макроскопической метафоры (частицы), а иногда другой макроскопической метафоре (волны).

Как и в случае с радиоволнами и рентгеновскими лучами, участвующими в комптоновском рассеянии, физики отметили, что электромагнитное излучение имеет тенденцию вести себя скорее как классическая волна на более низких частотах, но больше как классическая частица на более высоких частотах, но никогда полностью не теряет всех качеств того или другого. Видимый свет, который занимает промежуточное положение по частоте, можно легко показать в экспериментах, что его можно описать с помощью волновой или корпускулярной модели, а иногда и обеих.

В 1924–1925 годах Сатьендра Нат Бозе показал, что свет следует иной статистике, чем классические частицы. Вместе с Эйнштейном они обобщили этот результат для целого набора частиц с целым спином, называемых бозонами (в честь Бозе), которые следуют статистике Бозе–Эйнштейна . Фотон — это безмассовый бозон со спином 1.

В 1927 году Поль Дирак квантовал электромагнитное поле . Паскуаль Джордан и Владимир Фок обобщили этот процесс, чтобы рассматривать многочастичные системы как возбуждения квантовых полей, процесс с неправильным названием вторичного квантования . А в конце 1940-х годов была разработана полная теория квантовой электродинамики с использованием квантовых полей на основе работ Джулиана Швингера , Ричарда Фейнмана , Фримена Дайсона и Шиничиро Томонаги .

Квантовая оптика

Джон Р. Клаудер , Джордж Сударшан , Рой Дж. Глаубер и Леонард Мандель применили квантовую теорию к электромагнитному полю в 1950-х и 1960-х годах, чтобы получить более детальное понимание фотодетекции и статистики света (см. степень когерентности ). Это привело к введению когерентного состояния как концепции, которая рассматривала различия между лазерным светом, тепловым светом, экзотическими сжатыми состояниями и т. д., поскольку стало понятно, что свет нельзя полностью описать, просто ссылаясь на электромагнитные поля, описывающие волны в классической картине. В 1977 году Х. Джефф Кимбл и др. продемонстрировали один атом, испускающий один фотон за раз, что стало еще одним убедительным доказательством того, что свет состоит из фотонов. Впоследствии были обнаружены ранее неизвестные квантовые состояния света с характеристиками, отличными от классических состояний, такие как сжатый свет .

Разработка коротких и сверхкоротких лазерных импульсов, созданных с помощью методов переключения добротности и синхронизации моделей , открыла путь к изучению того, что стало известно как сверхбыстрые процессы. Были найдены приложения для исследования твердого тела (например, спектроскопия Рамана ), и были изучены механические силы света на материи. Последнее привело к левитации и позиционированию облаков атомов или даже небольших биологических образцов в оптической ловушке или оптическом пинцете с помощью лазерного луча. Это, наряду с доплеровским охлаждением и сизифовым охлаждением , было важнейшей технологией, необходимой для достижения знаменитой конденсации Бозе-Эйнштейна .

Другие замечательные результаты — демонстрация квантовой запутанности , квантовой телепортации и квантовых логических вентилей . Последние представляют большой интерес для квантовой теории информации , предмета, который частично возник из квантовой оптики, частично из теоретической компьютерной науки .

Использовать для освещения на Земле

Солнечный свет обеспечивает энергию , которую зеленые растения используют для создания сахаров , в основном в форме крахмалов , которые выделяют энергию в живые существа, которые их переваривают. Этот процесс фотосинтеза обеспечивает практически всю энергию, используемую живыми существами. Некоторые виды животных генерируют свой собственный свет, этот процесс называется биолюминесценцией . Например, светлячки используют свет для поиска партнеров, а кальмары-вампиры используют его, чтобы спрятаться от добычи.

Смотрите также

Примечания

Ссылки

  1. ^ CIE (1987). Международный словарь по освещению. Архивировано 27 февраля 2010 г. в Wayback Machine . Номер 17.4. CIE, 4-е изд.. ISBN  978-3-900734-07-7 .
    Согласно Международному словарю по освещению , свет определяется следующим образом: «Любое излучение, способное непосредственно вызывать зрительное ощущение».
  2. ^ Пал, ГК; Пал, Правати (2001). "глава 52". Учебник практической физиологии (1-е изд.). Ченнаи: Orient Blackswan. стр. 387. ISBN 978-81-250-2021-9. Архивировано из оригинала 8 октября 2022 г. . Получено 11 октября 2013 г. . Человеческий глаз способен реагировать на все длины волн света от 400 до 700 нм. Это называется видимой частью спектра.
  3. ^ Бузер, Пьер А.; Имбер, Мишель (1992). Зрение . МТИ Пресс. п. 50. ISBN 978-0-262-02336-8. Получено 11 октября 2013 г. . Свет — это особый класс лучистой энергии, охватывающий длины волн от 400 до 700 нм (или мμ), или от 4000 до 7000 Å.
  4. ↑ Грегори Халлок Смит (2006). Объективы для камер: от коробочных камер до цифровых. SPIE Press. стр. 4. ISBN 978-0-8194-6093-6. Архивировано из оригинала 8 октября 2022 г. . Получено 15 ноября 2020 г. .
  5. ^ Нариндер Кумар (2008). Всеобъемлющая физика XII. Laxmi Publications. стр. 1416. ISBN 978-81-7008-592-8.
  6. ^ Uzan, JP; Leclercq, B (2008). The Natural Laws of the Universe: Understanding Fundamental Constants. Перевод Роберта Мизона. Springer-Praxis , Архив Интернета : 2020-06-14 AbdzexK uban. стр. 43–44. Bibcode : 2008nlu..book.....U. doi : 10.1007/978-0-387-74081-2 (неактивен 28 июля 2024 г.). ISBN 978-0-387-73454-5.{{cite book}}: CS1 maint: DOI inactive as of July 2024 (link)
  7. ^ Лауфер, Габриэль (1996). "Геометрическая оптика". Введение в оптику и лазеры в машиностроении . стр. 11. Bibcode : 1996iole.book.....L. doi : 10.1017/CBO9781139174190.004. ISBN 978-0-521-45233-5. Получено 20 октября 2013 г.
  8. ^ Bradt, Hale (2004). Методы астрономии: физический подход к астрономическим наблюдениям. Cambridge University Press. стр. 26. ISBN 978-0-521-53551-9. Получено 20 октября 2013 г.
  9. ^ Оганесян, Лена; Стритер, Энтони (2001). Справочник по фармацевтическому анализу. CRC Press. стр. 187. ISBN 978-0-8247-4194-5. Получено 20 октября 2013 г.
  10. ^ Ахлувалия, ВК; Гоял, Мадхури (2000). Учебник органической химии. Нароса. п. 110. ИСБН 978-81-7319-159-6. Получено 20 октября 2013 г.
  11. ^ Sliney, David H.; Wangemann, Robert T.; Franks, James K.; Wolbarsht, Myron L. (1976). "Visual sensitive of the eye to infrared laser radiation". Journal of the Optical Society of America . 66 (4): 339–341. Bibcode :1976JOSA...66..339S. doi :10.1364/JOSA.66.000339. PMID  1262982. Была измерена фовеолярная чувствительность к нескольким длинам волн лазера ближнего инфракрасного диапазона. Было обнаружено, что глаз может реагировать на излучение с длиной волны по крайней мере до 1064 нм. Непрерывный источник лазера 1064 нм казался красным, но импульсный источник лазера 1060 нм казался зеленым, что предполагает наличие генерации второй гармоники в сетчатке.
  12. ^ Линч, Дэвид К.; Ливингстон, Уильям Чарльз (2001). Цвет и свет в природе (2-е изд.). Кембридж: Cambridge University Press. стр. 231. ISBN 978-0-521-77504-5. Архивировано из оригинала 8 октября 2022 г. . Получено 12 октября 2013 г. . Пределы общего диапазона чувствительности глаза простираются примерно от 310 до 1050 нанометров
  13. ^ Дэш, Мадхаб Чандра; Дэш, Сатья Пракаш (2009). Основы экологии 3E. Tata McGraw-Hill Education. стр. 213. ISBN 978-1-259-08109-5. Архивировано из оригинала 8 октября 2022 г. . Получено 18 октября 2013 г. . Обычно человеческий глаз реагирует на световые лучи от 390 до 760 нм. Этот диапазон может быть расширен до 310–1050 нм в искусственных условиях.
  14. ↑ Саидман, Жан (15 мая 1933 г.). «Sur la visabilité de l'ultravioliet jusqu'à la longueur d'onde 3130» [Видимость ультрафиолета до длины волны 3130]. Comptes rendus de l'Académie des Sciences (на французском языке). 196 : 1537–9. Архивировано из оригинала 24 октября 2013 года . Проверено 21 октября 2013 г.
  15. ^ Oldford, R. W; MacKay, R. J (2000). «Научный метод, статистический метод и скорость света». Статистическая наука . 15 (3): 254–278. doi : 10.1214/ss/1009212817 . MR  1847825. Архивировано из оригинала 24 марта 2017 г. Получено 21 августа 2008 г.
  16. ^ ab Newcomb, Simon (1911). "Свет"  . В Chisholm, Hugh (ред.). Encyclopaedia Britannica . Т. 16 (11-е изд.). Cambridge University Press. стр. 624.
  17. ^ Майкельсон, АА (январь 1927). «Измерения скорости света между горой Вильсон и горой Сан-Антонио». Astrophysical Journal . 65 : 1. Bibcode : 1927ApJ....65....1M. doi : 10.1086/143021.
  18. ↑ Harvard News Office (24 января 2001 г.). «Harvard Gazette: Исследователи теперь могут остановить и перезапустить свет». News.harvard.edu. Архивировано из оригинала 28 октября 2011 г. Получено 8 ноября 2011 г.
  19. ^ Бернс, Рой С. (2019). Принципы цветовых технологий Биллмейера и Зальцмана . Фред В. Биллмейер, Макс Зальцман (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley . ISBN 978-1-119-36668-3. OCLC  1080250734.
  20. ^ "Спектр и цветовая чувствительность глаза" (PDF) . Thulescientific.com . Архивировано (PDF) из оригинала 5 июля 2010 г. . Получено 29 августа 2017 г. .
  21. ^ "Reference Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5". Архивировано из оригинала 12 мая 2019 года . Получено 12 ноября 2009 года .
  22. ↑ Тан, Хонг (1 октября 2009 г.). «Да пребудет с тобой сила света». IEEE Spectrum . 46 (10): 46–51. doi :10.1109/MSPEC.2009.5268000. S2CID  7928030.
  23. ^ См., например, исследование нано-оптико-механических систем в Йельском университете. Архивировано 25 июня 2010 г. на Wayback Machine .
  24. ^ Свитил, Кэти А. (5 февраля 2004 г.). «Астероиды вращаются вокруг Солнца». Журнал Discover . Архивировано из оригинала 9 октября 2012 г. Получено 8 мая 2007 г.
  25. ^ "Солнечные паруса могли бы отправить космический корабль в плавание через космос". NASA . 31 августа 2004 г. Архивировано из оригинала 21 октября 2012 г. Получено 30 мая 2008 г.
  26. ^ "Команда НАСА успешно развернула две системы солнечных парусов". НАСА . 9 августа 2004 г. Архивировано из оригинала 14 июня 2012 г. Получено 30 мая 2008 г.
  27. ^ Лебедев, П. (1901). «Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes». Энн. Физ . 6 (11): 433–458. Бибкод : 1901АнП...311..433Л. дои : 10.1002/andp.19013111102. Архивировано из оригинала 6 июня 2022 года . Проверено 29 июля 2022 г.
  28. ^ Nichols, EF; Hull, GF (1903). «Давление, вызванное излучением». The Astrophysical Journal . 17 (5): 315–351. Bibcode : 1903ApJ....17..315N. doi : 10.1086/141035 . Архивировано из оригинала 8 октября 2022 г. Получено 15 ноября 2020 г.
  29. ^ Эйнштейн, А. (1989) [1909]. «Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung» [О развитии наших взглядов на природу и строение радиации]. Собрание сочинений Альберта Эйнштейна . Том. 2. Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. п. 391.
  30. ^ Antognozzi, M.; Bermingham, CR; Harniman, RL; Simpson, S.; Senior, J.; Hayward, R.; Hoerber, H.; Dennis, MR; Bekshaev, AY (август 2016 г.). «Прямые измерения необычайного оптического импульса и поперечной спин-зависимой силы с использованием нанокантилевера». Nature Physics . 12 (8): 731–735. arXiv : 1506.04248 . Bibcode :2016NatPh..12..731A. doi :10.1038/nphys3732. ISSN  1745-2473. S2CID  52226942.
  31. ^ Сингх, С. (2009). Основы оптической инженерии . Discovery Publishing House. ISBN 978-8183564366.
  32. ^ O'Connor, JJ; Robertson, EF (август 2002 г.). «Свет сквозь века: от Древней Греции до Максвелла». Архивировано из оригинала 19 марта 2017 г. Получено 20 февраля 2017 г.
  33. ^ Птолемей и А. Марк Смит (1996). Теория визуального восприятия Птолемея: английский перевод «Оптики» с введением и комментариями . Diane Publishing. стр. 23. ISBN 978-0-87169-862-9.
  34. ^ abc "Shastra Pratibha 2015 Seniors Booklet" (PDF) . Sifuae.com . Архивировано из оригинала (PDF) 30 мая 2015 года . Получено 29 августа 2017 года .
  35. ^ ab Теории света от Декарта до Ньютона AI Sabra CUP Архив, 1981 стр. 48 ISBN 978-0-521-28436-3 
  36. ^ Фокко Ян Дейкстерхейс, Линзы и волны: Христиан Гюйгенс и математическая наука оптики в 17 веке, Kluwer Academic Publishers, 2004, ISBN 1-4020-2697-8 
  37. ^ Джеймс Р. Хофманн, Андре-Мари Ампер: Просвещение и электродинамика , Cambridge University Press, 1996, стр. 222.
  38. ^ Дэвид Кэссиди; Джеральд Холтон; Джеймс Резерфорд (2002). Understanding Physics. Birkhäuser. ISBN 978-0-387-98756-9. Архивировано из оригинала 8 октября 2022 г. . Получено 15 ноября 2020 г. .
  39. ^ ab Longair, Malcolm (2003). Теоретические концепции в физике . стр. 87.
  40. ^ Кэссиди, Д. (2002). Понимание физики . Springer Verlag, Нью-Йорк.
  41. ^ Значок открытого доступа Барроу, Гордон М. (1962). Введение в молекулярную спектроскопию (сканированный PDF) . McGraw-Hill. LCCN  62-12478.

Внешние ссылки