Lumina, unda sau particula?

Este lumina unda ori particula? Iata o întrebare care si astazi naste discutii aprinse printre pasionatii de fizica. În urma cu 200 de ani Thomas Young, un om de stiinta englez, folosind un montaj experimental simplu, dar extrem de ingenios,  demonstra ca lumina are o natura ondulatorie.
Experimentul lui Thomas Young
lumina, unda sau particula
Experimentul lui Thomas Young

Acum 200 de ani omul de stiinta englez Thomas Young (1773-1829) a demonstrat ca lumina are caracteristicile unei unde folosind un montaj experimental extrem de simplu, asemenea celui din figura alaturata.

Un fascicul de lumina monocromatica provenind de la o sursa de lumina întâlneste mai întâi un ecran prevazut cu o singura fanta, pentru ca ulterior lumina care trece prin acea fanta sa întâlneasca un al doilea ecran prevazut cu doua fante înguste, paralele. Interesant si hotarâtor pentru concluziile pe care Young avea sa le traga, este faptul ca lumina care trece de al doilea obstacol da nastere pe un al treilea ecran unor franje de interferenta, niste fâsii luminoase si, respectiv, întunecate.

O paralela cu undele produse pe suprafata unei ape statatoare

Explicatia aparitiei fenomenului de interferenta si a franjelor corespunzatoare este chiar natura de unda a luminii monocromatice. Lumina circula prin atmosfera la fel cum apa creeaza mici valuri pe suprafata lacurilor. Undele de la nivelul celor doua fante cu care este prevazut al doilea ecran interfereaza în momentul în care se întâlnesc. Daca cele doua unde sunt în faza (regiunile cu amplitudine maxima a undei coincid  în timp si spatiu si, deci, are loc fenomenul de interferenta constructiva) dau nastere unei lumini mai puternice, iar daca sunt în opozitie de faza ( maximele întâlnesc minimele si are loc o interferenta distructiva) acestea se anuleaza reciproc, aparând astfel fâsiile întunecate, exact ca în cazul interferentei undelor de pe suprafata unei ape statatoare.

Faptul ca punând laolalta doua raze de lumina se poate obtine întuneric a reprezentat o revelatie pentru oamenii de stiinta ai secolului XIX, deloc familiarizati cu natura si caracteristicile undelor electromagnetice, asa cum este cazul acum, la început de secol XXI.

La vremea respectiva experimentul lui Thomas Young a fost suficient pentru a convinge comunitatea stiintifica de faptul ca lumina se deplaseaza asemenea unei unde, lucru sustinut anterior la nivel teoretic de catre Huygens în  a sa teorie despre natura ondulatorie a luminii, care postula si existenta unui mediu de propagare, numit eter. Câteva experimente efectuate în secolul XIX, în mod special faimosul experiment al lui Michelson si Morley, au încercat detectarea eterului si a efectelor sale, dar au esuat.

Efectul fotoelectric. Natura corpusculara a luminii revine în atentie

Începutul secolului XX a fost marcat de descoperirea efectului fotoelectric si explicarea sa prin prisma naturii cuantice a undelor electromagnetice de catre Einstein, moment în care natura corpusculara a luminii a revenit în atentia oamenilor de stiinta. A ramas însa întrebarea: daca privim lumina ca fiind formata din particule cuantificabile de energie, de unde caracteristicile sale de unda? Daca un numar impresionant de atomi de apa pot genera un comportament de unda pe suprafata unui lac, poate ca exista o explicatie asemanatoare si pentru lumina si componentele sale, fotonii.

Ce se intampla daca emitem un singur foton?

S-a mers cu experimentele pâna la construirea unor surse de lumina care puteau emite câte un foton succesiv, iar surprinderea a fost maxima vazând ca efectele experimentului initial al lui Young puteau fi observate chiar si folosindu-se un montaj care trimitea prin fantele cu care erau prevazute ecranele un singur foton. Rezultatul era, pe de o parte, o confirmare a teoriei care sustinea natura de unda a luminii, dar, în acelasi timp, genera foarte multa confuzie. În acest caz fotonii erau emisi individual. Aparent, interferenta era de neconceput, pentru ca un foton nu putea trece decât printr-o fanta la un moment dat. Deci, ce genera franjele de interferenta? Cine cu cine interfereaza?lumina

Dualitatea unda-particula si bizareriile lumii cuantice

Singura teorie care a putut descrie la nivel teoretic cele ce se întâmplau de fapt  este mecanica cuantica, folosind o perspectiva noua care se folosea de dualitatea unda-particula în explicarea naturii luminii. Un foton are atât caracteristicile unui corpuscul, asa cum Einstein aratase cu al sau efect fotoelectric, dar se comporta si asemenea unei unde, asa cum experimentul lui Young în versiunea de secol XX vine sa arate.

Cât despre raspunsul la întrebarea privind motivul pentru care apar franjele de interferenta atunci când se emite un singur foton (experimentul a fost efectuat ulterior, iar rezultatele au fost identice, chiar si atunci când au fost folositi electroni ori atomi în locul fotonilor), multe ipoteze au fost formulate pâna în prezent, dar pâna si cei mai mari fizicieni ai secolului XX, în frunte cu celebrul Richard Feynman, s-au vazut în incapacitatea de a formula o explicatie completa, coerenta si în concordanta cu modul în care noi, oamenii, percepem si întelegem lumea.

Deci….
  •  Ei bine, in lumea bizara a fizicii cuantice, fotonul are capacitatea de a interactiona cu sine insusi, comportandu-se in acelasi timp si ca unda, si ca particula.

Cand lumina se loveste de un obiect ea poate fi absorbita, reflectata sau transmisa prin obiectul respectiv. Aceasta face sa vedem in jurul nostru atatea culori-ele arata, de fapt, felul in care obiectele interactioneaza cu lumina.

lumina si soarele

Cand vedem un obiect, vedem de fapt lumina reflectata de acel obiect. Reflectia apare atunci cand unda de lumina loveste obiectul si este intoarsa inapoi. Sa ne imaginam ca ne uitam la un mar. Lumina se reflecta de pe suprafata lui in toate directiile. O parte din lumina astfel reflectata ajunge in ochiul privitorului si ii da informatii despre cum arata marul respectiv.

Daca toate obiectele din jurul nostru ar reflecta egal toate lungimile de unda ale luminii, lumea ar fi colorata doar in tonuri de gri, de la alb la negru. In realitate, toate obiectele transforma lumina alba care vine de la Soare, facand sa percepem lumea in nuante multicolore, de la albastru electric la maro prafuit.

Substantele chimice, numite pigmenti, sunt responsabile pentru majoritatea culorilor pe care le vedem in natura. Pigmentii absorb anumite lungimi de unda din spectrul vizibil, astfel incat ele lipsesc din lumina reflectata de obiectul respectiv. Aceasta lumina reflectata are deci culoarea pe care o atribuim obiectului respectiv. Un mar este rosu pentru ca el absoarbe undele verzi si albastre, dar le reflecta pe cele rosii.

Multi pigmenti se gasesc in roci si minerale, dar si animalele, plantele sau insectele produc propii lor pigmenti. Oamenii, de exemplu, produc un pigment numit melanina care este responsabil de miile de nuante ale pielii, parului si ochilor oamenilor.Daca in trecut oamenii erau limitati la cei cativa pigmenti pe care puteau sa-i obtina din natura, astazi multitudinea de pigmenti sintetici ne permite sa ne decoram casele, hainele si unghiile in orice culoare vrem.

lumina unda sau particula php

Cand amesteci doi pigmenti intr-o vopsea, obtinem, de fapt, o combinatie de lungimi de unda care sunt absorbite. Ce se intampla cand amestecam vopseaua albastra cu cea galbena? Obtinem verde. Acest lucru se intampla pentru ca amestecam un pigment care absoarbe rosu (dar reflecta albastru) cu un pigment care absoarbe albastru si rosu (dar reflecta galben) si atunci obtinem un pigment care absoarbe rosu si albastru, dar care reflecta galben.

Pigmentii sunt insa doar unul din felurile in care putem sa ne aducem culoare in propia viata. Un alt fel de a colora lucrurile este prin refractie. Aceasta permite sa extragem culoarea dorita direct din lumina alba. Lumina circula cu viteze diferite prin medii diferite (aer, apa sau sticla). Cand lumina trece dintr-un mediu in altul, ea isi modifica viteza si ca urmare a acestei schimbari, traiectoria sa se modifica. Acest fenomen este cunoscut sub numele de refractie. Daca bagati un pai intr-un pahar cu apa si va uitati la el din lateral, o sa observati ca el pare ca se indoaie unde apa si aerul se intalnesc. Aceasta pentru ca lumina circula cu 30% mai incet prin apa decat prin aer. Tot refractia explica si de ce ochelarii sau lentilele de contact va imbunatatesc vederea.

Dar ce are a face cu culorile? Diversele lungimi de unda ale luminii au diverse unghiuri de refractie, ceea ce face posibila despartirea luminii albe in culorile ei componente. Chiar si cea mai mica picatura de apa poate reflecta lumina, proiectand curcubeie pe cer. Tot refractia produce si stralucirea multicolora a diamantelor. Daca v-ati uitat vreodata de aproape la baloanele de sapun, ati observat ca pe suprafata lor se vad culorile curcubeului. Numele stiintific al acestui fenomen este iridiscenta. El apare tot datorita interferentei undelor de lumina. O bula de sapun este fapt un strat foarte subtire de apa, avand de o parte si de cealalta aer.Cand lumina cade pe suprafata bulei, o parte din ea este reflectata, iar o parte trece prin stratul de apa pana la suprafata interioara a bulei, unde este din nou reflectata. Cele doua raze reflectate se reintalnesc la suprafata bulei, doar ca ele sunt deplasate una fata de alta pentru ca a doua raza a calatorit mai departe (dus-intors prin stratul de apa). Cand cele doua fascicule de lumina se suprapun, ele se aduna, amplificand unele culori si diminuand altele. Rezultatul pe care il vedem sunt petele multicolore de pe baloanele de sapun. Acelasi lucru putem sa-l observam pe dosul CD-urilor sau pe diverse vietati stralucitoare (penele paunilor de exemplu).

lumina unda sau particula

Viteza luminii

In vid, viteza luminii este de aproape 300.000km/s. Aproape toate particulele din Univers interactioneaza cu campul Higgs (un câmp energetic invizibil care „infuzeaza” tot Universul si care a fost activat la numai o trilionime de secunda dupa Big Bang), iar aceasta interactiune le da masa. De la aceasta regula fac exceptie fotonii-particulele care formeaza lumina. Ei nu interactioneaza cu campul Higgs si deci nu au masa. Asta inseamna ca fotonii nu au nevoie de energie din exterior pentru a le schimba viteza. Prin urmare, ei pot calatori cu viteza maxima admisa in Universul nostru. Aceasta viteza este o constanta universala.

Surse: scientia.ro si Terra Magazin

Bogdan

Per aspera ad astra