Как представляли свет
Одна из первых попыток объяснить природу света была у Платона — он сформулировал теорию зрительных лучей. Философ предполагал, что лучи исходят из глаза и, встречаясь с предметами, освещают их, создавая видимость окружающего мира.
Основные теории сформировались только в XVII–XVIII веках. Исаак Ньютон представлял свет как поток крошечных частиц, которые он назвал корпускулами. Будто их, словно пушки, испускают светящиеся объекты, и когда частицы попадают нам в глаза, мы видим свет. Ньютон также считал, что цвет света зависит от размера корпускул: большие создают ощущение красного, а маленькие — фиолетового.
Противником Ньютона был Христиан Гюйгенс с его волновой теорией. Он представлял свет не как частицы, а как волны, похожие на морские, распространяющиеся в особой среде — эфире. По Гюйгенсу, мы видим свет, когда волны, распространяясь в эфире, доходят до наших глаз.
Гюйгенс придумал правило, как эти волны распространяются: каждая точка, до которой дошла волна, сама становится источником новых волн. Он объяснил, почему свет отражается от зеркал, меняет направление, когда проходит через воду, а также другие оптические явления, что было преимуществом его теории.
Более двух с половиной веков физики спорили о природе света. Сегодня ученые пришли к мнению: свет обладает двойственной природой. Когда распространяется — ведет себя как волна. А когда взаимодействует с различными средами, то проявляет себя как поток частиц. Это явление называется корпускулярно-волновым дуализмом.
Что такое дисперсия света
Луч белого света может преломляться, к примеру, в капле воды, в результате чего образуется радуга. О таком явлении было известно с древних времен. Однако его систематическое научное изучение началось лишь в XVII веке, и ключевую роль в этом сыграл Ньютон.
В своем опыте ученый направил узкий пучок белого света через призму в темной комнате. И пришел к выводу, что призма не окрашивает его, а белый свет сам состоит из разных цветов. Потому что, пропустив цветные лучи через вторую призму, он получил исходный белый свет.
Ньютон назвал полученную картину разложения света спектром и выделил в нем семь цветов. Опыт ученого доказал, что:
- белый свет имеет сложную структуру, состоящую из отдельных цветов;
- лучи разного цвета преломляются в призме по-разному.
Это явление Ньютон назвал дисперсией света.
Что определяет свет
Источники света
Существует множество источников света, как естественных, так и искусственных.
- Естественные: Солнце, звезды, молнии, северное сияние, биолюминесценция (свечение живых организмов) и другие.
- Искусственные: лампы накаливания, светодиоды, лазеры, фонари, свечи и другие.
Каждый источник света имеет свой спектр излучения — набор длин волн, которые он испускает.
Характеристики света
Свет обладает рядом характеристик, которые определяют его свойства и взаимодействие с окружающим миром.
Первая из них — длина волны или частота. От них зависит цвет света, который мы видим. Длина волны — расстояние между гребнями волны, измеряется в нанометрах. Один нанометр равен миллионной доле миллиметра (1 нм = 0,000001 мм). Частота — число колебаний в секунду, измеряется в герцах (Гц). Эти величины взаимообратны. Чем больше длина волны, тем меньше частота, и наоборот.
Так, красный свет имеет самую большую длину волны (около 700 нм), фиолетовый — самую маленькую (около 400 нм). А частота, наоборот, наименьшая у красного — 430 ТГц (триллионов герц) и наибольшая — 750 ТГц для фиолетового.
Вторая характеристика света — его скорость. Свет распространяется с огромной, но конечной скоростью. В вакууме она составляет примерно 299 792 458 м/с. Это самая большая, известная на сегодняшний день, скорость во Вселенной.
К примеру, такая высокая скорость света хорошо ощущается при салютах: сначала человек его видит, потом уже только слышит. Все это потому, что скорость света в разы выше, чем скорость звука.
В различных средах, таких как вода или стекло, скорость света уменьшается. Происходит это из-за его взаимодействия с частицами самого вещества.
Как воспринимается свет
Наши глаза улавливают свет и фокусируют его роговицей и хрусталиком на сетчатке. В ней находятся палочки (для зрения в темноте) и колбочки (для цветового зрения). Последние реагируют на разные длины волн света, а мозг анализирует их сигналы, создавая цветовое восприятие. Колбочки бывают трех типов:
- S-колбочки — чувствительные к синему;
- M-колбочки — к зеленому;
- L-колбочки — к красному.
Однако человек не воспринимает все виды волн — нам видны только те, что находятся в интервале от 400 до 700 нм. А всего на шкале электромагнитных волн расположены:
- радиоволны (от 107 до 103 м): используются в радиосвязи, телевидении, мобильной связи и радиолокации;
- микроволны (103 – 10-2 м): применяются в микроволновых печах, в спутниковой связи и радарах;
- инфракрасное излучение (10-2 – 10-6 м): ощущается как тепло от батарей, костров, а также используется в пультах дистанционного управления;
- видимый свет ( 10-6 – 10-7 м): это самый узкий диапазон во всем спектре электромагнитных волн и единственный, который может воспринимать человеческий глаз;
- ультрафиолетовое излучение ( 10-7 – 10-8 м): вызывает загар и используется в соляриях и УФ-лампах для дезинфекции;
- рентгеновские лучи ( 10-8 – 10-12 м): используются в медицине для диагностики (рентгенография) и в промышленности для контроля качества;
- гамма-лучи (от 10-12 и более 10-16 м): самое высокоэнергетическое электромагнитное излучение, возникающее в ядерных реакциях. В высоких дозах опасно для живых организмов, но контролируемое использование в лучевой терапии позволяет бороться с раковыми заболеваниями.
Как наука о свете развивает технологии
"Когда-то английский физик Уильям Брэгг написал знаменитую фразу: "В слове "свет" заключена вся физика, и тем самым все науки". Действительно, чем больше мы изучаем свет, тем больше узнаем о его потрясающих возможностях. К примеру, свет способен толкать предметы: подобно брошенным камням, фотоны (частицы света — прим. ред.) обладают импульсом, который они передают объекту при столкновении. Именно благодаря этому давлению солнечный свет отталкивает хвосты комет от Солнца и может приводить в движение космические аппараты", — поделилась Ольга Тихомирова.
Световые технологии помогают достигать новых успехов в совершенно разных сферах. Так, в области биомедицины разработаны фотонные устройства — к примеру, специальные лазеры — для точной диагностики и лечения на клеточном уровне, которые могут значительно повысить эффективность медицинских процедур и снизить их инвазивность. Также использование света для активации фоточувствительных лекарственных препаратов уже показало результаты в борьбе с раком.
Еще разработки в области света могут стать основой для новых передовых технологий трехмерного сканирования — над этим работают исследователи из Университета Торонто. Они создали уникальную камеру, которая позволяет наблюдать распространение света вместе с его фотонами. А еще она может показывать движение света с любой точки зрения благодаря отраженному свету — то есть за углами или сквозь препятствия, в тумане, при задымлении, в мутной воде и так далее.
Такая разработка может быть полезна в совершенно разных сферах — к примеру, для создания 3D-моделей. Также камера может усовершенствовать лидары — устройства для трехмерного сканирования в автономных транспортных средствах.
