Nad tym, jak zbudowany jest otaczający nas świat, debatowano już od Starożytności. Greccy filozofowie zakładali iż wszystko, a więc również światło, jest zbudowane z niewielkich drobin. Ten model, podobnie jak inne tworzone w tamtych czasach (np. model geocentryczny), okazał się być pięknym i gładkim w detalach oraz niewiele wartym w założeniach. Jeśli światło miałoby być cząstkami to powstaje poważny problem z wyjaśnieniem codziennych zjawisk – na przykład załamania na granicy dwóch ośrodków. Każdy z nas widział jak łyżka „łamie się” gdy wsadzić ją do szklanki. Z tymi problemami borykano się do praktycznie do XIX wieku – uczeni tacy jak Kartezjusz, Hooke czy Huygens próbowali stworzyć teorie dotyczące falowej natury światła. Jednak nadal, głównie pod wpływem Newtona, dominowało przekonanie iż światło składa się z cząstek.
Długo rozmyślał nad tym Thomas Young. W czasie swoich przemyśleń obserwował fale powstające na tafli wody – przyglądał się temu, jak nakładają się na siebie wzajemnie wzmacniając się i wygaszając. Postanowił sprawdzić czy ma to zastosowanie również dla światła. Z pewnością wielu z was słyszało o „eksperymencie z dwiema szczelinami”. Jest on genialny w swej prostocie i możliwy do przeprowadzenia przez każdego. Young wpuścił światło słoneczne do pomieszczenia przez otwór a następnie przepuścił je przez dwie szczeliny – na ścianie ukazał się wzór szerzej znany jako prążki interferencyjne. Spójrzmy na prostą ilustrację wykonaną w notatniku:
Jak łatwo zauważyć, fale światła, podobnie jak fale wody, nakładały się na siebie wzajemnie się – w miejscu gdzie nałożyły się ich „szczyty”, na ścianie powstawał prążek światła. Gdyby światło składało się z cząstek, to zdrowy rozsądek podpowiada inny rezultat:
Jest to sytuacja którą można łatwo porównać do kopania piłki tak aby trafić w bramkę poprzez dwie szczeliny – część z nich odbije się od ściany, a pozostałe powinny trafiać w mniej więcej te same miejsca „bramki”. Tymczasem, gdyby przepuścić światło słoneczne przez otwór o średnicy ok. 0.5 cm na podwójnej szczelinie o długości 1 cm i odległości 0,5mm to naszym oczom powinien ukazać się taki obraz:
fot. Aleksandr Berdnikov, MIT
Taka sytuacja sprawiła, iż w XIX wieku modele falowe zostały uznane powszechnie. Duży udział miały w tym prace Maxwella, który badał naturę pola magnetycznego i elektrycznego. Jego prace, oparte na czystej matematyce, doprowadziły go do wniosku iż są to dwa rodzaje tego samego oddziaływania które porusza się jako fala, a światło jest jedną z nich. Ciekawostką jest to, iż z jego równań można wyprowadzić równanie określające prędkość rozchodzenia się takiej fali dla próżni, którego wynik świetnie zgadza się z obserwacjami. Hipotezę Maxwella niedługo później potwierdził Hertz odkrywając fale radiowe. To właściwie zadecydowało o odrzuceniu cząsteczkowego modelu światła. Jednakże teoria Maxwella nie wyjaśnia wszystkich efektów związanych z światłem. Tu musimy wrócić na chwilę do pierwszego z obrazków – według tej teorii energia takiej fali ma związek z jej natężeniem a nie częstotliwością. Tymczasem wiele niezależnych eksperymentów pokazało iż jest dokładnie na odwrót. Energia przekazywana atomom przez światło wynika z jego częstotliwości a nie natężenia. Przykładem mogą być tu zjawiska zaobserwowane przez Comptona oraz Einsteina.
Sprawcą zamieszania w tym eleganckim modelu okazał się być wcześniej wymieniony Hertz który zaobserwował ciekawe zjawisko gdy badał wcześniej odkryte fale radiowe – wysyłał fale radiowe i starał się je odebrać za pomocą odbiornika składającego się w uproszczeniu z pierścienia i cewki. Ilekroć do odbiornika docierała fala na cewce przeskakiwała iskra. Zaciekawiony umieścił odbiornik w ciemnym pudle aby móc lepiej zaobserwować ową iskrę w czasie skoku. Niestety, ale umieszczenie urządzenia w owym pudle jedynie osłabiło efekt. Winna okazała się być jedna z ścianek owego pudła którą była szklana szyba pochłaniająca promienie UV. Gdy tylko wymienił szkło na kwarc który UV nie pochłania efekt powrócił. Hertz nie znalazł wyjaśnienia dla tego zjawiska ale opublikował pracę z której skorzystał Einstein starający się wyjaśnić inną rzecz znaną szerzej jako efekt fotoelektryczny.
Fizycy oświetlając powierzchnię równych przedmiotów zauważyli, iż padające światło jest zdolne wybijać pojedyncze elektrony z powierzchni i niezależnie od jego natężenia zjawisko zachodzi tylko dla pewnych częstotliwości światła. Im większa była długość fali, tym mniejsza była energia kinetyczna wybitego elektronu. Powyższe wnioski są sprzeczne z klasyczną teorią – energia wybitego elektronu powinna być związana z natężeniem światła, a zjawisko powinno zachodzić nawet dla niższych częstotliwości światła przy odpowiednim natężeniu. Tymczasem doświadczenie pokazuje, że w rzeczywistości jest inaczej. Kolejną obserwację poczynił Compton, gdy próbował rozpraszać promieniowanie rentgenowskie i gamma na bloku grafitu – gdy porównywał natężenie fali „wejściowej” i „wyjściowej”, zauważył iż fala wyjściowa to tak naprawdę dwie fale. Jedna o długości fali padającej a druga była większa w zależności od kąta pod jakim obserwował promieniowanie.
Powyższe wyniki Einstein i Compton mogli wyjaśnić tylko w jeden sposób – światło jest nie tyle falą co strumieniem materialnych cząstek które zderzając się z elektronami przekazują im część swojej energii a tym samym pędu.
Jednakże fala to fala a cząstka to cząstka – jak więc wyjaśnić tą dziwaczną dualną naturę fotonu? Odpowiedź pojawiła się szybko i gdy tylko się pojawiła natychmiast spowodowała u wielu fizyków potężny ból głowy o czym kolejnym razem.
(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.
Naukowy 2022 