Свет

И. Кеплер в 1619 году, изучая отклонения хвостов комет, впервые высказал гипотезу о световом давлении на отражающие и поглощающие тела. Дж. К. Максвелл в 1873 году теоретически подсчитал величину светового давления, оказавшуюся малой даже для Солнца и электрической дуги. Впервые экспериментальное исследование давления света на твёрдые тела провёл русский физик П. Н. Лебедев в 1899 году; в 1900 году результаты были доложены на Всемирном съезде физиков в Париже и стали классическим подтверждением электромагнитной теории Максвелла^[9]. В 1907—1910 годах Лебедев измерил также давление света на газы, что представляло ещё бо́льшую техническую сложность.

Объяснение явления состоит в передаче импульса телу при поглощении электромагнитной волны. При полном отражении световой волны от поверхности тела световое давление вдвое превышает давление при полном поглощении. В корпускулярно-волновой теории давление света объясняется передачей импульса телу фотонами; давление равно мощности светового пучка, делённой на скорость света. Например, лазерная указка мощностью 1 мВт создаёт давление около 3,3 пН. При больших масштабах световое давление способно раскручивать астероиды и рассматривается как рабочий принцип солнечных парусов.

Свет в специальной теории относительности

Отрицательный результат опыта Майкельсона — Морли и анализ электродинамики движущихся сред привели А. Эйнштейна в 1905 году к специальной теории относительности, в основу которой положены два постулата: принцип относительности и постоянство скорости света в вакууме во всех инерциальных системах отсчёта. Из этих постулатов следуют относительность одновременности, замедление времени, сокращение длин и релятивистский закон сложения скоростей. Скорость света ${\displaystyle c}$ приобрела статус фундаментальной константы и предельной скорости передачи взаимодействий, а гипотеза механического эфира была признана ошибочной. Важный вклад в геометрическую формулировку теории (пространство-время Минковского) и её экспериментальную проверку внесли работы школы Л. И. Мандельштама и И. Е. Тамма.

Великий ученый, автор общей теории относительности - Альберт Эйнштейн

Квантовая теория света

Рассмотрение теплового равновесия абсолютно чёрного тела с излучением привело М. Планка в 1900 году к идее об испускании и поглощении света порциями — квантами энергии ${\displaystyle E=h\nu }$. В 1905 году Эйнштейн распространил эту идею на само поле излучения, объяснив фотоэффект представлением о световых квантах — фотонах. Экспериментальные подтверждения получены в опытах Р. Милликена (1916) и по эффекту Комптона (1923). В 1928 году советские физики Л. И. Мандельштам и Г. С. Ландсберг в Москве открыли комбинационное рассеяние света, одновременно с Ч. Раманом; открытие стало прямым проявлением квантовой природы взаимодействия света с молекулярными колебаниями^[10]. В 1934 году П. А. Черенков под руководством С. И. Вавилова открыл излучение, возникающее при движении заряженных частиц в среде со скоростью превышающей скорость света в данной среде; теория явления построена И. Е. Таммом и И. М. Франком, а в 1958 году все трое удостоены Нобелевской премии.

Сергей Вавилов — советский физик и оптик, участвовавший в разработке квантовой теории света

Корпускулярно-волновой дуализм

Идея Луи де Бройля (1924) о том, что любые частицы обладают волновыми свойствами, распространила квантовые представления с излучения на вещество. Свет одновременно проявляет волновые свойства (дифракция, интерференция, поляризация) и корпускулярные (фотоэффект, эффект Комптона). В рамках квантовой механики эти проявления описываются единым математическим формализмом, а конкретное поведение определяется схемой измерения. Классические опыты по дифракции одиночных фотонов и электронов, а также современные эксперименты с задержанным выбором подтверждают, что дуализм — фундаментальное свойство квантовых объектов, а не ограниченность теории.

Л. де Бройль - французский физик - теоретик, автор теории о волновой природе света.

Одной из субъективных характеристик света, воспринимаемой человеком в виде осознанного зрительного ощущения, является его цвет, который для монохроматического излучения определяется частотой света, а для сложного излучения — его спектральным составом.

Свет распространяется даже в вакууме, при этом наличие вещества влияет на скорость его распространения. Оптические свойства среды характеризуются показателем преломления, действительная часть которого равна отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости в данной среде, мнимая часть описывает поглощение света. В анизотропных средах показатель преломления представляется в виде тензора. Зависимость показателя преломления от длины волны — оптическая дисперсия — приводит к тому, что свет разных длин волн распространяется в среде с разной скоростью, благодаря чему возможно разложение немонохроматического (например, белого) света в спектр.

Как любая электромагнитная волна, свет может быть поляризованным. Количественно интенсивность света характеризуют с помощью фотометрических величин двух видов — энергетических и световых. Первые характеризуют свет безотносительно к свойствам человеческого зрения; к ним относятся энергия излучения, поток излучения, сила излучения, энергетическая яркость, энергетическая светимость и облучённость. Световые величины (световая энергия, световой поток, сила света, яркость, светимость, освещённость) оценивают свет по его способности вызывать зрительные ощущения.

Скорость света в вакууме по определению составляет 299 792 458 м/с. Это связано с тем, что метр в СИ с 1983 года определяется как расстояние, проходимое светом за 1/299 792 458 часть секунды.

Первую попытку измерить скорость света предпринял Галилео Галилей в 1607 году, однако она оказалась безуспешной. В 1676 году датский астроном Оле Рёмер, наблюдая затмения спутника Юпитера Ио, впервые доказал конечность скорости света и оценил, что свету требуется около 22 минут для прохождения диаметра земной орбиты.

Существенного прогресса удалось достичь применением метода вращающегося зеркала, предложенного Франсуа Араго (1838) и реализованного Леоном Фуко в 1862 году со значением 298 000 000±500 000 м/с. В 1891 году Саймон Ньюком уточнил результат до 299 810 000±50 000 м/с. Альберт Майкельсон в 1926 году измерил время прохождения света между вершинами двух гор на расстоянии 35 373,21 м и получил 299 796 000±4 000 м/с.

В 1975 году XV Генеральная конференция по мерам и весам рекомендовала считать скорость света равной 299 792 458 м/с с относительной погрешностью 4·10^−9[11]. Позднее это значение положено в основу определения метра, а сама скорость света стала рассматриваться как фундаментальная физическая постоянная.

Эффективная скорость света в прозрачных веществах меньше, чем в вакууме: например, в воде она составляет около 3/4 от вакуумной. Замедление обусловлено не изменением скорости фотонов, а их поглощением и переизлучением частицами вещества. В экспериментах с конденсатом Бозе — Эйнштейна на основе рубидия удавалось полностью «остановить» свет за счёт его хранения в возбуждённых состояниях атомов^[12].

Преломлением света называется изменение направления распространения светового луча при прохождении через границу раздела двух прозрачных сред с различными показателями преломления.

Явление описывается законом Снеллиуса:

${\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}}$,

где ${\displaystyle \theta _{1}}$ и ${\displaystyle \theta _{2}}$ — углы между лучом и нормалью к поверхности в первой и второй средах соответственно, а ${\displaystyle n_{1}}$ и ${\displaystyle n_{2}}$ — показатели преломления сред.

При пересечении лучом границы длина волны изменяется, а частота остаётся неизменной; изменение длины волны при непрямом падении приводит к изменению направления распространения. Преломление линзами применяется в лупах, очках, контактных линзах, микроскопах и телескопах.

Вид преломления света в пластиковом блоке

Отражение — возвращение световой волны от границы двух сред обратно в первую среду. Согласно закону отражения, падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к поверхности, а угол падения равен углу отражения. Различают зеркальное отражение - явление при котором свет отражается от гладких поверхностей, а также диффузное отражение.

Иллюстрация зеркального отражения света

Диффузное отражение - явление отражения света от шероховатых поверхностей. Соотношение интенсивностей отражённой и преломлённой волн определяется формулами Френеля, зависящими от углов и поляризации

Схема - иллюстрация диффузного отражения от неровной поверхности

Дисперсией называется зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света. Именно она обусловливает разложение белого света в спектр при прохождении через призму, впервые системно изученное Исааком Ньютоном в 1666 году. Различают нормальную дисперсию (показатель преломления растёт с частотой) и аномальную — вблизи полос поглощения вещества. Теория аномальной дисперсии, построенная в конце XIX века, стала одним из подтверждений электронной природы взаимодействия света с веществом.

Разложение света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму (опыт Ньютона)

Дифракция — совокупность явлений, обусловленных огибанием световыми волнами препятствий, соизмеримых с длиной волны, и возникновением интерференционной картины в области геометрической тени. Впервые дифракция описана Ф. М. Гримальди (1665), а количественная теория, основанная на принципе Гюйгенса — Френеля, построена О. Ж. Френелем в 1818 году. Дифракция лежит в основе работы дифракционных решёток и определяет предельную разрешающую способность оптических приборов.

Поляризация света — упорядоченность колебаний вектора электрического поля в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. У линейно поляризованного света существует определённая плоскость поляризации; у эллиптически (в частности циркулярно) поляризованного света вектор поля вращается по или против часовой стрелки. Поляризованный свет выделяется из естественного пропусканием через поляризатор либо отражением под углом Брюстера. Оптически активные среды (растворы сахара, кварц) вращают плоскость поляризации, что применяется в поляриметрическом анализе веществ.

Свет создаётся во многих физических процессах. Важнейшим является тепловое излучение с непрерывным спектром, максимум которого определяется температурой источника; излучение Солнца близко к тепловому излучению абсолютно чёрного тела при ~6000 К, максимум приходится на 550 нм (зелёный цвет). Другими источниками света являются:

• переходы в электронных оболочках атомов и молекул с одного уровня на другой (спонтанное излучение в газоразрядных лампах и светодиодах, вынужденное излучение в лазерах);
• процессы ускорения и торможения заряженных частиц (синхротронное излучение, циклотронное излучение, тормозное излучение);
• черенковское излучение при движении заряженной частицы со скоростью, превышающей фазовую скорость света в среде;
• различные виды люминесценции: хемилюминесценция (в живых организмах — биолюминесценция), электролюминесценция, катодолюминесценция, флюоресценция, фосфоресценция, сцинтилляция.

Значительный вклад в изучение источников света и вынужденного излучения внесли советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, разработавшие принцип квантового генератора (лазера); в 1964 году они получили Нобелевскую премию по физике совместно с Ч. Таунсом «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на лазерно-мазерном принципе»^[13].

Восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона происходит благодаря светочувствительным клеткам сетчатки глаза — палочкам и колбочкам. Палочки обладают высокой чувствительностью и обеспечивают ночное зрение, но не различают цвета. Колбочки трёх типов с различными максимумами спектральной чувствительности обеспечивают цветное дневное зрение и поставляют информацию о спектральном составе света.

Нормированные спектральные зависимости чувствительности колбочек трёх типов; пунктиром показана светочувствительность палочек

Для каждого цвета существует соответствующая волна определенной длины