Ánh Sáng Truyền Đi Trong Chân Không

kể từ thời Democritus – một triết nhân Hi Lạp sinh sống hồi ráng kỉ máy 5 đến ráng kỉ lắp thêm 4 trước Công nguyên – nhận định rằng vạn đồ gia dụng được cấu tạo bởi gần như nguyên tử nhỏ xíu cần thiết chia nhỏ, những nhà khoa học vẫn không kết thúc tìm kiếm thực chất đích thực của ánh sáng. Vào khi các nhà khoa học nhiều lần tiến thoái giữa quan niệm ánh sáng là hạt tốt là sóng thì cho đến thời hiện đại, núm kỉ 20 mang lại những đột phá cho thấy tia nắng hành xử vừa là sóng vừa là hạt.

Bạn đang xem: ánh sáng truyền đi trong chân không

Những nâng tầm này bao gồm việc khám phá electron, sự phát triển thuyết lượng tử, với thuyết tương đối Einstein. Mặc dù nhiên, vẫn tồn tại đó nhiều câu hỏi hấp dẫn và chưa được vấn đáp về ánh sáng, nhiều trong số đó tạo nên từ thực chất lưỡng tính của nó. Chẳng hạn, làm cụ nào tia nắng có hiển hiện không có khối lượng, tuy vậy vẫn hành xử y như hạt? với làm nỗ lực nào nó rất có thể hành xử giống hệt như sóng và trải qua chân không, khi mà toàn cục các sóng khác đều yên cầu một môi trường xung quanh lan truyền?

Ánh sáng truyền đi sống những bước sóng khác nhau, được minh họa tại đây bởi color khác nhau nhìn thấy trong một lăng kính. Ảnh: NASA cùng ESA

Lí thuyết ánh sáng cho đến thế kỉ sản phẩm 19

Vào thời kì bí quyết mạng Khoa học, các nhà khoa học bắt đầu xa rời các lí thuyết kỹ thuật Aristotle đã có lần được xem là chuẩn mực trong hàng nuốm kỉ. Trong những này bao hàm việc bác bỏ bỏ lí thuyết ánh nắng của Aristotle coi ánh sáng là 1 trong những nhiễu loàn trong không khí (một trong tư “nguyên tố” cấu tạo nên vật chất theo quan niệm của ông), cùng hướng sang ý kiến cơ giới hơn nhận định rằng ánh sáng sủa là bao gồm những nguyên tử quan trọng chia nhỏ.

Nhìn ở góc độ nào kia thì lí thuyết này đang được ý niệm bởi các nhà nguyên tử luận thời Cổ nhân kinh điển – ví như Democritus với Lecretius – cả nhị ông đầy đủ xem ánh sáng là một đơn vị vật hóa học mà phương diện trời hóa giải ra. Vào nỗ lực kỉ trang bị 17, một vài công ty khoa học ban đầu chấp nhận ý niệm này, tuyên bố rằng ánh sáng là bao gồm những phân tử rời rốc (hay “tiểu thể”). Trong số này có Pierre Gassendi, một tín đồ đương thời của René Descartes, Thomas Hobbes, Robert Boyle, và danh tiếng nhất là ngài Isaac Newton.

Phiên bạn dạng đầu tiên của quyển Opticks của Newton, một chăm luận về sự việc phản xạ, khúc xạ, sự nhiễu xạ và color ánh sáng sủa (1704).

Lí thuyết đái thể của Newton là một trong biến thể của ý kiến của ông xem thực tại là một trong tương tác của những chất điểm trải qua các lực. Lí thuyết này vẫn chính là quan niệm kỹ thuật được gật đầu trong rộng 100 năm, các nguyên lí của nó được phân tích và lý giải trong chăm luận năm 1704 của ông “Opticks, hay như là 1 chuyên luận về việc phản xạ, sự khúc xạ, sự bẻ cong, và màu sắc ánh sáng”. Theo Newton, những nguyên lí của ánh sáng rất có thể tóm tắt như sau:

mỗi nguồn sáng phạt ra con số lớn hồ hết hạt bé dại li ti gọi là tiểu thể trong môi trường xung quanh xung quanh nguồn sáng đó. đông đảo tiểu thể này là trả toàn lũ hồi, rắn, cùng không khối lượng.

Lí thuyết tè thể của Newton là 1 thách thức so với “lí thuyết sóng” được gượng nhẹ bởi bên thiên văn học fan Hà Lan cố kỉ sản phẩm công nghệ 17 Christiaan Huygens. Những lí thuyết này được trình bày lần trước tiên vào năm 1678 trước Viện hàn lâm công nghệ Paris và được xuất bản vào năm 1690 vào quyển“Traité de la lumière”(Chuyên luận về ánh sáng) của ông. Trong tác phẩm đó, Huygens công ty trương một quan điểm hiệu chỉnh của cách nhìn Descartes, theo đó tốc độ ánh sáng sủa là vô hạn với được tương truyền bởi những sóng mong phát ra dọc từ đầu sóng.

Thí nghiệm hai khe

Vào đầu nỗ lực kỉ 19, những nhà khoa học ban đầu chia rẽ với lí thuyết tiểu thể. Nguyên nhân 1 phần là vày lí thuyết đái thể rõ ràng không phân tích và lý giải được sự nhiễu xạ, giao thoa với phân rất ánh sáng, dường như còn bởi vì các thí nghiệm nhiều chủng loại có vẻ xác thực quan niệm vẫn cạnh tranh xưa nay rằng ánh sáng hành xử giống hệt như sóng.

Nổi tiếng nhất trong những này Thí nghiệm nhì khe, ban đầu được tiến hành bởi nhà chưng học bạn Anh Thomas Young vào năm 1801 (mặc dù tín đồ ta có niềm tin rằng Isaac Newton đã tiến hành cái tương tự vào thời của ông). Vào phiên bạn dạng thí nghiệm của Young, ông sử dụng một miếng giấy với hai khe cắt, với rồi chiếu một mối cung cấp sáng vào chúng để đo coi ánh sáng đi qua miếng giấy như vậy nào.

Theo lí thuyết hạt cổ điển (tức lí thuyết Newton), hiệu quả của thí nghiệm phải tương xứng với nhì khe, bên trên màn hứng phải xuất hiện thêm hai vạch thẳng đứng. Thế vậy, những kết quả cho thấy thêm các chùm ánh sáng phối kết hợp giao quẹt nhau, tạo thành hệ vân sáng tối xen kẽ trên màn hứng. Công dụng này xích míc với lí thuyết hạt cổ điển, theo đó các hạt ko giao sứt với nhau, nhưng chỉ đối kháng thuần là va đụng nhau.

Lời phân tích và lý giải hợp lí duy nhất cho hệ vân giao quẹt này là những chùm ánh sáng thật ra hành xử dạng sóng. Như vậy, nghiên cứu này chưng bỏ quan niệm rằng ánh nắng gồm những tiểu thể cùng giữ một vai trò thiết yếu trong sự gật đầu lí thuyết sóng của ánh sáng. Mặc dù nhiên, phân tích tiếp sau đó, liên quan đến tò mò electron và phản xạ điện từ, đưa các nhà khoa học mang lại chỗ xét lại một đợt nữa rằng tia nắng cũng hành xử dạng hạt, từ kia phát sinh lí thuyết lưỡng tính sóng-hạt.

Thuyết năng lượng điện từ với thuyết tương đối hẹp

Trước nạm kỉ 19 và 20, tốc độ ánh sáng đã làm được xác định. Các phép đo thứ nhất được biên chép được tiến hành bởi bên thiên văn học tín đồ Đan Mạch Ole Rømer, thực hiện vào năm 1676, sử dụng những phép đo ánh sáng tới từ vệ tinh Io của Mộc tinh chứng minh rằng ánh nắng truyền đi ở vận tốc hữu hạn (chứ không hẳn tức thời).

Giáo sư Albert Einstein đã thuyết giảng tại cuộc họp của hiệp hội Mĩ vày Sự hiện đại của Khoa học, vào ngày 28 tháng 12 năm 1934. Ảnh: AP Photo

Vào cuối vắt kỉ 19, James Clerk Maxwell khuyến nghị rằng ánh nắng là sóng điện từ, với đã nghĩ ra một vài ba phương trình (gọi là các phương trình Maxwell) thể hiện điện trường và từ trường được hình thành và chuyển hóa lẫn nhau thế nào bởi điện tích và mẫu điện. Bằng phương pháp tiến hành các phép đo trên các loại bức xạ không giống nhau (từ trường, sự phản xạ tử nước ngoài và phản xạ hồng ngoại), ông đã có thể tính được vận tốc ánh sáng trong chân ko (kí hiệu làc).

Năm 1905, Albert Einstein ra mắt bài báo “Về điện đụng lực học của các vật gửi động”, trong những số đó ông trình bày trong những lí thuyết nổi tiếng nhất của ông với đã hạ gục hàng vậy kỉ quan niệm chính thống. Trong bài bác báo của ông, ông trình bày rằng vận tốc ánh sáng sủa là hệt nhau trong hầu như hệ quy chiếu quán tính, mặc kệ chuyển hễ của mối cung cấp sáng hay vị trí của fan quan sát.

Xem thêm: Lý Thuyết Tin Học 9: Bài 9 Bài 8: Bài Trình Chiếu (Hay, Chi Tiết)

Khai thác các hệ trái của lí thuyết này là mẫu đưa ông mang lại chỗ khuyến cáo thuyết tương đối hẹp, nó dung hòa những phương trình Maxwell mang đến điện học cùng từ học với các định lao lý cơ học, đơn giản và dễ dàng hóa các phép đo lường và tính toán học, và cân xứng với vận tốc ánh sáng đã quan sát trực tiếp và lý giải được các rơi lệch đã quan sát. Nó còn chứng minh rằng tốc độ ánh sáng tất cả tương quan phía bên ngoài ngữ cảnh ánh sáng và năng lượng điện từ học.

Trước hết, nó đưa đến quan điểm rằng các biến hóa quan trọng xảy ra khi vạn đồ tiến ngay gần đến vận tốc ánh sáng, bao gồm hệ quy chiếu thời gian-không gian của một đồ vật đang đưa động hình như chậm lại và co hẹp theo chiều hoạt động khi đo trong hệ quy chiếu trong phòng quan sát. Sau hàng gắng kỉ đo lường và thống kê ngày một chủ yếu xác, tốc độ ánh sáng sủa được xác định là 299.792.458 m/s vào thời điểm năm 1975.

Einstein cùng photon

Năm 1905, Einstein còn làm phân giải mớ lộn xộn bao quanh hành trạng của sự phản xạ điện từ lúc ông đề xuất rằng nguyên tử phạt xạ electron khi chúng hấp thụ năng lượng từ ánh sáng. Hotline là cảm giác quang điện, Einstein xây dựng quan điểm của ông trên dự án công trình trước kia của Planck với các “vật đen” – các vật hấp thụ năng lượng điện từ gắng vì bội phản xạ nó (tức là đồ trắng).

Lúc ấy, cảm giác quang điện của Einstein là nhằm lý giải “bài toán đồ đen”, trong số ấy một vật đen phát ra bức xạ điện từ do nhiệt lượng của vật. Đây là 1 trong những bài toán dằng dai trong trái đất vật lí, gây ra từ mày mò electron, chỉ mới xảy ra trước đó 8 năm (nhờ những nhà đồ vật lí tín đồ Anh, dẫn đầu là J.J. Thompson và các thí nghiệm sử dụng ống tia cathode).

Lúc ấy, các nhà công nghệ vẫn tin rằng năng lượng điện tự hành xử dưới dạng sóng, và cho nên vì thế họ hi vọng hoàn toàn có thể giải ưng ý nó theo vật lí học cổ điển. Lí giải của Einstein theo một lối khác, xác minh rằng bức xạ điện từ bỏ hành xử theo kiểu cân xứng với một phân tử – một dạng lượng tử của ánh nắng mà ông viết tên là “photon”. Với tò mò này, Einstein được trao phần thưởng Nobel năm 1921.

Lưỡng tính sóng-hạt

Các lí thuyết tiếp nối về hành trạng của ánh sáng liên tiếp tinh chỉnh ý niệm này, bao hàm nhà đồ gia dụng lí người Pháp Louis-Victor de Broglie tính được cách sóng tại đó ánh nắng phát huy tác dụng. Tiếp sau là “nguyên lí bất định” của Heisenberg (phát biểu rằng việc đo đúng đắn vị trí của một photon sẽ có tác dụng nhiễu phép đo hễ lượng của nó và ngược lại), cùng nghịch lí Schrödinger xác định rằng toàn bộ các hạt đều phải có một “hàm sóng”.

Phù hợp với cách lí giải cơ học lượng tử, Schrödinger khuyến cáo rằng cục bộ thông tin về một hạt (trong trường thích hợp này, một photon) được gói gọn gàng tronghàm sóngcủa nó, một hàm giá trị phức đại khái tương đương với biên độ của một sóng tại mỗi điểm trong không gian. Tại một trong những nơi, số đo của hàm sóng sẽ ngẫu nhiên “suy sụp”, giỏi “mất kết hợp”, thành một hàm rất đại. Điều này được minh họa vào nghịch lí Schrödinger danh tiếng gồm một vỏ hộp kín, một con mèo, và một lọ dung dịch độc (còn gọi là nghịch lí bé mèo của Schrödinger).

Hình minh họa nhì photon truyền đi ở bước sóng khác nhau, đem về ánh sáng có màu sắc khác nhau. Ảnh: NASA/Đại học tập Sonoma

Theo lí thuyết này, hàm sóng cũng tiến triển theo một phương trình vi phân (tức là phương trình Schrödinger). Đối với những hạt bao gồm khối lượng, phương trình này có nghiệm; nhưng đối với các hạt không tồn tại khối lượng, phương trình ko tồn trên nghiệm. Những thí nghiệm tiếp đến sử dụng hai khe đang xác nhận bản chất lưỡng tính của photon, trong số ấy các hiện tượng đo được sắp xếp để quan lại sát những photon lúc chúng trải qua hai khe.

Khi thực hiện thí nghiệm, các photon lộ diện ở dạng phân tử và ảnh hưởng của chúng lên màn hứng tương ứng với nhị khe – những đốm nhỏ dại kích cỡ bởi hạt phân bố theo các đường trực tiếp đứng. Bằng phương pháp đặt một nguyên tắc quan ngay cạnh đúng chỗ, hàm sóng của các photon suy sụp và tia nắng lại hành xử như những hạt cổ điển. Đúng như Schrödinger dự đoán, điều đó chỉ rất có thể lí giải bằng phương pháp khẳng định ánh sáng có một hàm sóng, và câu hỏi quan gần kề nó tạo cho ngưỡng phần trăm hành trạng suy sụp tới điểm tại đó hành trạng của chính nó trở nên rất có thể dự đoán.

Lí thuyết ngôi trường lượng tử (QFT) sẽ được cách tân và phát triển trong những thập niên tiếp đến để phân giải những mơ hồ bao quanh lưỡng tính sóng-hạt. Cùng đồng thời, lí thuyết này tỏ ra áp dụng được cho những hạt khác và các lực ảnh hưởng cơ phiên bản (ví dụ như lực phân tử yếu và lực phân tử nhân mạnh). Ngày nay, photon là một thành phần của tế bào hình chuẩn của ngành đồ vật lí phân tử sơ cấp, trong số ấy chúng được phân nhiều loại là boson – một họ hạt hạ nguyên tử trung đưa lực và không có khối lượng.

Vậy kết luận ánh sáng sủa truyền đi như vậy nào? Về căn bản, nó truyền rằng ở tốc độ hết sức lớn (299.792.458 m/s) và ở những bước sóng không giống nhau, tùy trực thuộc vào năng lượng của nó. Nó hành xử vừa là sóng vừa là hạt, có thể truyền qua các môi trường xung quanh (như ko khí cùng nước) cũng tương tự không gian chân không. Nó không có khối lượng, tuy thế vẫn rất có thể bị hấp thụ, bội nghịch xạ, hoặc khúc xạ nếu nó tiếp cận một môi trường thiên nhiên nhất định. Cùng cuối cùng, cái duy nhất hoàn toàn có thể làm nó lệch hướng, tốt bắt giữ lại nó, là lực hấp dẫn (tức là trường phù hợp lỗ đen).

Xem thêm: ' Chân Như Vịt Thịt Như Gà Da Như Trâu Đầu Như Rắn Là Con

Những điều bọn họ học được về tia nắng và năng lượng điện từ học thực sự đã làm phương pháp mạng hóa nền thứ lí học tập vào đầu ráng kỉ 20, một cuộc giải pháp mạng đã được khơi nguồn từ trước. Dựa vào nỗ lực của những nhà công nghệ như Maxwell, Planck, Einstein, Heisenberg cùng Schrodinger, bọn họ đã tiến những cách xa, nhưng phía trước vẫn còn đấy nhiều điều cần liên tục nghiên cứu và tìm hiểu.

Chẳng hạn, xúc tiến của ánh nắng với lực lôi cuốn (cùng cùng với lực phân tử nhân yếu cùng lực hạt nhân mạnh) vẫn là một trong những bí ẩn. Giải mã được điều này, và bởi đó mày mò một lí thuyết của vớ cả, là mẫu mà các nhà thiên văn học cùng vật lí học tập vẫn vẫn hướng tới. Biết đâu một ngày làm sao đó bọn họ sẽ đạt tới mức điều tưởng chừng như khó với tới kia thì sao!