В оптике корпускулярная теория света утверждает, что свет состоит из маленьких дискретных частиц, называемых « корпускулами » (маленькие частицы), которые движутся по прямой с конечной скоростью и обладают импульсом . Это представление основывалось на альтернативном описании атомизма того периода времени.
Исаак Ньютон заложил основы этой теории своими работами по оптике. Эта ранняя концепция корпускулярной теории света была ранним предшественником современного понимания фотона . Эта теория стала доминировать в концепциях света в восемнадцатом веке, вытеснив ранее известные теории колебаний, где свет рассматривался как «давление» среды между источником и приемником, впервые отстаиваемое Рене Декартом , а затем в более утонченной форме Христианом Гюйгенсом . [1] Она вышла из моды в начале девятнадцатого века, когда волновая теория света накопила новые экспериментальные доказательства.
В начале 17 века натурфилософы начали разрабатывать новые способы понимания природы, постепенно заменяя аристотелизм , который на протяжении столетий был доминирующей научной теорией, в ходе процесса, известного как научная революция . Различные европейские философы приняли то, что стало известно как механическая философия где-то между 1610 и 1650 годами, которая описывала вселенную и ее содержимое как своего рода крупномасштабный механизм, философию, которая объясняла, что вселенная создана из материи и движения . [2] Эта механическая философия была основана на эпикуреизме и работах Левкиппа и его ученика Демокрита и их атомизме , в котором все во вселенной, включая тело человека, разум, душу и даже мысли, было сделано из атомов ; очень маленьких частиц движущейся материи. В начале 17 века атомистическая часть механической философии была в значительной степени развита Гассенди, Рене Декартом и другими атомистами.
Ядром философии Пьера Гассенди является его атомистическая теория материи . В своей работе Syntagma Philosophicum («Философский трактат»), опубликованной посмертно в 1658 году, Гассенди попытался объяснить аспекты материи и природных явлений мира в терминах атомов и пустоты . Он взял эпикурейский атомизм и модифицировал его, чтобы сделать совместимым с христианской теологией, предложив несколько ключевых изменений в нем: [2]
Гассенди считал, что атомы движутся в пустом пространстве, классически известном как пустота , что противоречит аристотелевскому взгляду на то, что вселенная полностью состоит из материи. Гассенди также предполагает, что информация, собранная человеческими чувствами, имеет материальную форму, особенно в случае зрения . [3]
Корпускулярные теории, или корпускуляризм , похожи на теории атомизма, за исключением того, что в атомизме атомы предполагались неделимыми, тогда как корпускулы в принципе могли быть разделены. Корпускулы — это отдельные, бесконечно малые частицы, которые имеют форму, размер, цвет и другие физические свойства, которые изменяют их функции и эффекты в явлениях в механических и биологических науках. Это позже привело к современной идее о том, что соединения имеют вторичные свойства, отличные от свойств элементов этих соединений. Гассенди утверждает, что корпускулы — это частицы, которые переносят другие вещества и бывают разных типов. Эти корпускулы также являются выбросами из различных источников, таких как солнечные сущности, животные или растения. Роберт Бойль был ярым сторонником корпускуляризма и использовал теорию, чтобы проиллюстрировать различия между вакуумом и заполненным пространством , с помощью чего он стремился дополнительно поддержать свою механистическую философию и общую атомистическую теорию. [3] Примерно через полвека после Гассенди Исаак Ньютон использовал существующие корпускулярные теории для разработки своей корпускулярной теории физики света. [4]
Исаак Ньютон работал над оптикой на протяжении всей своей научной карьеры, проводя различные эксперименты и разрабатывая гипотезы для объяснения своих результатов. [5] Он отверг теорию света Декарта, поскольку отвергал понимание Декартом пространства, которое вытекало из нее. [6] С публикацией «Оптики» в 1704 году [7] Ньютон впервые занял ясную позицию, поддерживая корпускулярную интерпретацию, хотя систематизация теории выпала на долю его последователей. [8]
В издании Opticks 1718 года Ньютон добавил несколько неопределенных гипотез, сформулированных как вопросы, о природе света. В Qu. 16 он задавался вопросом, похож ли способ, которым дрожащее движение пальца, нажимающего на дно глаза, вызывает ощущение цветных кругов, на то, как свет воздействует на сетчатку, и указывает ли независимое продолжение вызванного ощущения в течение примерно секунды на вибрационную природу движений в глазу. В Qu. 17 Ньютон сравнил вибрации с волнами, распространяющимися по концентрическим кругам после того, как камень был брошен в воду, и с «Вибрациями или дрожью, возбуждаемыми в воздухе при ударе». Поэтому он предположил, что световые лучи будут аналогичным образом возбуждать волны колебаний в отражающей или преломляющей среде, которые, в свою очередь, могут догонять лучи света и попеременно ускорять и замедлять их. Затем Ньютон предложил в Qu. 18 и Qu. 19 , что свет распространяется в вакууме посредством очень тонкой « эфирной среды », точно так же, как считалось, распространяется тепло.
Хотя предыдущие гипотезы описывали волнообразные аспекты света, Ньютон все еще верил в корпускулярные свойства. В Qu. 28 он спросил: «Не являются ли ошибочными все гипотезы, в которых предполагается, что Свет состоит из Давления или Движения, распространяющихся через жидкую Среду». Он не верил, что аргументы объясняют предлагаемые новые модификации лучей, и подчеркивал, что давление и движение не будут распространяться через жидкость по прямым линиям за пределы препятствий, как это делают световые лучи. В Qu. 29 он задавался вопросом: «Не являются ли Лучи Света очень малыми Телами, испускаемыми из сияющих Субстанций? Ибо такие Тела будут проходить через однородные Среды по прямым линиям, не изгибаясь в Тень, что является Природой Лучей Света. Они также будут способны на несколько Свойств и смогут сохранять свои Свойства неизменными при прохождении через лихорадочные Среды, что является другим Состоянием Лучей Света». Он связал эти свойства с несколькими эффектами взаимодействия световых лучей с материей и вакуумом. [9] [10]
Корпускулярная теория Ньютона была развитием его взгляда на реальность как на взаимодействие материальных точек посредством сил. Обратите внимание на описание Альбертом Эйнштейном концепции физической реальности Ньютона:
Физическая реальность [Ньютона] характеризуется концепциями пространства , времени , материальной точки и силы (взаимодействие между материальными точками ). Физические события следует рассматривать как движения в соответствии с законом материальных точек в пространстве. Материальная точка является единственным представителем реальности в той мере, в какой она подвержена изменению. Концепция материальной точки , очевидно, обусловлена наблюдаемыми телами ; материальная точка мыслится по аналогии с подвижными телами, опуская характеристики протяженности , формы , пространственной локальности и все их «внутренние» качества, сохраняя только инерцию , перемещение и дополнительную концепцию силы . [11] [12]
Тот факт, что свет может быть поляризован, был впервые качественно объяснен Ньютоном 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. В настоящее время поляризация считается свойством волн и может проявляться только в поперечных волнах . Продольные волны могут быть не поляризованы.
Господство ньютоновской натурфилософии в XVIII веке было одним из решающих факторов, обеспечивших преобладание корпускулярной теории света. [13] Ньютонианцы утверждали, что корпускулы света — это снаряды, которые движутся от источника к приемнику с конечной скоростью. В этом описании распространение света — это перенос материи.
Однако к концу века, начиная с эксперимента Томаса Юнга с двумя щелями в 1801 году, больше доказательств в виде новых экспериментов по дифракции , интерференции и поляризации продемонстрировали проблемы с теорией. Волновая теория, основанная на работах Юнга, Огюстена-Жана Френеля и Франсуа Араго , материализовалась в новой волновой теории света. [14]
Представления о свете как о частице вновь появились в 20 веке с появлением фотоэлектрического эффекта . В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил этот эффект, введя концепцию световых квантов или фотонов . Считается, что квантовые частицы обладают корпускулярно-волновым дуализмом . В квантовой теории поля фотоны объясняются как возбуждения электромагнитного поля с использованием вторичного квантования .