Что такое свет в современной физике?

// // Научно-популярные материалы //

Свет, который мы видим каждый день, является лишь частью всего излучения Солнцем и падающего на Землю.

Солнечный свет - это вид электромагнитного излучения, и свет, который мы видим, является лишь небольшой частью всего электромагнитного спектра. Электромагнитный спектр является отражением того, что свету присущи волновые свойства.

Свет как волна впервые был описан в начале 1800 года, когда эксперименты молодых ученых Араго и Френеля показали эффекты интерференции в световых пучках, указав, что свет состоит из волн. К концу 60-ых годов видимый свет представляли, как часть всего электромагнитного спектра. Однако, в конце 19-ого века у волновой теории возникли определенные трудности: волновые уравнения не могли объяснить результаты опытов по измерению спектра излучения нагретых тел. Это противоречие было разрешено Максом Планком в 1900г. и Альбертом Эйнштейном в 1905 г.

Планк предложил, что вся энергия света состоит из энергий неразличимых элементов - квантов энергии. В процессе исследования фотоэффекта (освобождение электронов из некоторых металлов и полупроводников под действием света) Эйнштейн смог верно определить величину энергетических квантов. За это открытие Планк и Эйнштейн получили Нобелевские премии в 1918 и 1921 годах соответственно. Их работы доказали то, что свет можно описать, как набор "пакетов" или частиц энергии - фотонов.

Сегодня для объяснения волновой и корпускулярной природы света используют квантовую механику. В квантовой механике фотон, наряду со всеми остальными квантово-механическими частицами (электронами, протонами и др.), наиболее точно представляется, как "волновой пакет". Волновой пакет - это набор волн, который может взаимодействовать так, как-будто является пространственно локализованным (аналогично прямоугольной волне, являющейся результатом сложения бесконечного числа синусоидальных волн) либо может взаимодействовать, как обычная волна. Если волновой пакет пространственно локализован, он ведет себя как частица. Поэтому, в зависимости от ситуации, фотон может проявлять себя или как частица, или как волна.

Эта концепция получила название корпускулярно-волновой дуализм.Полное физическое описание свойств света требует его квантово-механического анализа, так как фотоны являются разновидностью квантово-механических частиц. Обычно, для понимания работы солнечного элемента нет необходимости вдаваться в эти подробности, поэтому мы посвятили квантовой механике всего несколько строк.

В некоторых случаях (к счастью, редко касающихся ФЕ систем) свет может вести себя не так, как следует из приведенных здесь коротких объяснений. Его поведение может противоречить 'здравому смыслу", под которым понимается наши повседневные наблюдения и ощущения. Так как квантово-механические эффекты существуют вне пределов человеческого восприятия, к ним нельзя применять понятия здравого смысла.