Вы когда-нибудь боялись темноты? Если да, то неудивительно. Люди – существа света, глубоко запрограммированные на протяжении всей своей истории избегать темных опасностей ночи. Свет жизненно необходим для людей, как и для всего живого на Земле.
Но мы не всегда понимаем, что же такое свет? Это частица или волна? Почему он движется так быстро? И как он, вообще, появляется?
Давайте рассмотрим некоторые из этих вопросов и прольем немного света на свет!
Что такое свет
Когда-то у нас было очень простое представление о свете: мир либо светлый, либо темный, и мы можем менять его просто щелкнув выключателем на стене. Но потом мы поняли, что свет это нечто большее, чем просто лампочка в светильнике.
Свет попадает на нашу планету после быстрого путешествия от своего источника – Солнца. Он распространяется со скоростью 300 000 км в секунду, и поэтому тот свет, который мы видим сейчас, покинул Солнце восемь минут назад.
Но почему свет вообще совершает это путешествие?
Как вы, наверное, знаете, Солнце – это термоядерный реактор, извергающий энергию во все стороны. И то, что мы видим своими глазами, просто небольшая часть этой энергии.
Энергия распространяется в форме волн — вибрационный паттерн электричества и магнетизма, называемый электромагнитной энергией. Если бы наши глаза могли видеть электричество и магнетизм, мы бы увидели волну электричества, вибрирующую в одном направлении, и волну магнетизма, вибрирующую под прямым углом к нему, и то, как эти две волны распространяются в пространстве синхронно.
Является ли свет частицей или волной?
В течение сотен лет ученые спорили о том, чем, на самом деле, является свет – волной или частицей? Еще в 17 веке Исаак Ньютон считал, что свет – это поток «корпускул» или частиц. Его оппонент, голландец Кристиан Гюйгенс был другого мнения и считал, что свет состоит из волн. С тех пор полемика вокруг природы света не утихает до сих пор.
В XX веке физики пришли к выводу, что свет может быть и частицей, и волной одновременно. Их идея звучит довольно просто, но имеет сложное название – корпускулярно-волновой дуализм.
Откуда берется свет?
Вы, наверно, знаете, что энергия не может появиться из ниоткуда, что-то должно ее формировать. Во Вселенной существует огромное количество энергии и ни один ее процесс не может просто так создать или уничтожить энергию — он всего лишь превратит одну ее часть в другую.
Это называется законом сохранения энергии. А поскольку свет является частью энергетических процессов, то этот закон применим и к свету.
Так откуда же тогда берется свет? Что его создает?
Как оказалось, всё происходит внутри атома.
Атомы – это крошечные частицы, из которых состоит вся материя. В общепринятом виде атом напоминает солнечную систему – в центре находится протон, а вокруг вращаются электроны.
Как атомы создают свет
Представьте, что электроны внутри атомов – это светлячки, сидящие на виртуальной лестнице. Когда атом, по той или иной причине, начинает поглощать энергию, его светлячки начинают подниматься по лестнице на более высокие ступени. Но лестница не так устойчива, как хотелось бы, и когда светлячок наверху раскачивается, он может свалиться назад, где был раньше. При этом он возвращает поглощенную им энергию — испускает квант света.
Как работает свет
Как только вы поймете, как атомы поглощают и отдают энергию, наука о свете приобретает новый интересный смысл. Подумайте, например, о зеркалах. Когда вы смотрите в зеркало и видите свое отражение, что происходит на самом деле? Свет падает на ваше лицо и отражается в зеркале. Внутри зеркала атомы серебра (или другого металла) улавливают входящую световую энергию и возбуждаются. Это делает их нестабильными, поэтому они выбрасывают новые фотоны света, которые возвращаются из зеркала к вам.
Или солнечные панели (плоские листы, превращающие солнечный свет в электричество). Вы когда-нибудь задумывались, почему они всегда черные? Даже под яркими солнечными лучами? Это потому, что они поглощают почти весь падающий на них свет.
Куда уходит энергия в солнечной панели, если она не отражается? Атомы кремния в элементах улавливают энергию солнечного света и вместо того, чтобы производить новые фотоны, начинают производить поток электричества за счет, так называемого, фотоэлектрического эффекта. Другими словами, поступающая солнечная энергия преобразуется в электричество, а не в свет.
Заключение
Наука не похожа на другие дисциплины. Она не похожа на историю или на искусство, на мораль и этику. Это совершенно другой способ понимания и осмысливания мира. Когда мы изучаем науку о свете, мы понимаем, что вывернули часть мира наизнанку. Мы смотрим на мир изнутри и видим все совершенно по-другому и впервые понимаем, почему все это имеет смысл.
