IŞIĞIN DOĞASI ÜZERİNE. IŞIK HIZI
Işık nedir?
Şu ana kadar öğrendiklerimizden ışığın dalga doğasına sahip olduğunu biliyoruz. Diğer tüm dalga türleri gibi yansıttığını, kırdığını ve girişimde bulunduğunu gösterdik. Maxwell ve Hertz, ışığın elektromanyetik bir yapıya sahip olduğunu, yani elektromanyetik bir dalgayı temsil ettiğini ve boşlukta da yayılabileceğini gösterdi.
Ancak ışığa ilişkin bu görüş her zaman bilimsel gerçek olarak kabul edilmiyordu.
Işığın doğasının optik temsilinin geliştirilmesi sırasında iki temel teori ortaya çıktı: parçacık teorisi ve dalga teorisi.
Parçacık teorisi, ışığın genellikle elastik toplar gibi davranan çok küçük parçacıklardan oluşan bir sürü olduğunu varsayar. Ünlü matematikçi René Descartes, 1630 gibi erken bir tarihte bu teoriyi kullanarak ışığın yansıması ve kırılması olaylarını açıkladı. Isaac Newton da bu teorinin büyük bir destekçisiydi ve onun büyük otoritesi nedeniyle farklı anlayışları savunan bilim adamları fikirlerini uzun süre empoze edemediler.
Işığın doğasına ilişkin dalga teorisi Huygens'in çalışmasıyla başlar ve Jung tarafından yapılan ve Fresnel tarafından detaylandırılan ışığın girişimi ve kırınımının keşfi ve açıklanmasıyla doğrulanır. 19. yüzyılın başlarında çok sayıda bilim adamı ışığın dalga doğası fikrini savundu. Mesele sadece ışığın yayıldığı ortamın ne olduğunu açıklamaktı. Bu fenomeni açıklamak için ışığın dalga teorisinin savunucuları, tüm uzayın eter adını verdikleri kütlesiz bir maddeyle dolu olduğunu varsaydılar. Varsayımsal eter kavramı neredeyse bir yüzyıl boyunca varlığını sürdürdü. Bu hayali maddeyle ilgili sorun, ışığın enine bir dalga olduğunu gösteren ışığın polarizasyonunun (bundan daha sonra bahsedeceğiz) keşfedilmesiyle erken ortaya çıktı. Enine dalgaların yalnızca katı haldeki cisimler boyunca yayılabilmesi, eterin katı ve tüm alanı dolduran bir madde olduğu fikrini büyük ölçüde karmaşıklaştırdı.
Maxwell'in geliştirdiği elektromanyetik teori de bir dalga teorisidir. Ona göre, herhangi bir noktadaki ışık, elektrik alanı E'nin ve manyetik indüksiyon B'nin gücünün eşzamanlı salınımını temsil eder. Düzlem monokromatik bir ışık dalgasında, bu iki vektör, yayılma yönüne dik olan, karşılıklı olarak iki düzlemde salınır. Bu teori deneysel olarak doğrulandı. Böylece, örneğin ışığın dağılımının görünümü, ışığın elektrik alanının maddenin yapı parçacıklarının yükleriyle etkileşimi yoluyla açıklandı. Ayrıca belirli bir yüzeye düşen ışık, o yüzeye baskı uygular. Elektromanyetik teorinin öngördüğü ışık basıncı deneysel olarak ölçüldü.
Bir ortam olarak eterin varlığı, Maxwell'in ışığın elektromanyetik doğasına ilişkin teorisine hiç uymuyor. Daha sonra eterin var olmadığı (Michelson ve Morley'in ünlü deneyiyle) kanıtlandı.
Korpüsküler dalga teorisi. Fiziğin gelişimi sırasında ışığın doğasına ilişkin iki teori (dalga ve parçacık) sürekli olarak geliştirildi ve her zaman savunucuları oldu.
Bugün ışığın doğası hakkında ne biliyoruz?
Işığın bazı özelliklerinde, özellikle maddeyle etkileşimiyle ilgili olanlarında (emisyon, soğurma, fotoelektrik etki vb.), ışık parçacık karakterini gösterir. Öte yandan, ışığın girişim, kırınımı ve polarizasyonu olgusu onun dalga doğasını gösterir.
Günümüz bilgisine göre, ışığın kuantum doğası (ki buna daha sonra değineceğiz) dikkate alındığında, ışığın ikili bir doğası vardır. Böyle bir temsile dayanan teoriye korpüsküler dalga adı verilir.
Bu teori, parçacıkların temsilinin de değiştiğini ileri süren daha geniş kuantum mekaniği teorisinin yalnızca bir parçasıdır (bunun hakkında daha sonra daha fazlasını öğreneceğiz). Kuantum teorisine göre parçacıklar yüksek hızlarda hareket ederken dalga doğası sergilerler. Dolayısıyla onların da ikili bir doğası var.
Işık hızı
Uzun zamandır ışık hızının sonsuz yüksek olduğuna inanılıyordu. Günlük deneyimler buna işaret ediyor. Bir odada bir lamba yaktığımızda hemen tüm nesneler aydınlanacaktır.
İnsanlar, doğru saatlerin varlığıyla, birkaç kilometrelik mesafelerdeki ışık sinyallerini kullanarak ışığın hızını ölçmeye çalıştılar. Bu tür girişimlerin tümü sonuç vermedi. Kaynaktan gelen ışık darbesinin aynı anda alıcıya, yani gözümüze ulaşması çok muhtemel görünüyordu. Ancak bunun sadece bir illüzyon olduğu ortaya çıktı. Zaten 17. yüzyılda ışığın hızı ölçüldü.
Danimarkalı gökbilimci O. 1676'da Roemer, Jüpiter'in uydularının hareketini inceleyerek ışığın hızını ölçen ilk kişiydi. Jüpiter'in güneş sisteminin gezegeni olduğu biliniyor. Güneş'in etrafında ortalama Dünya-Güneş mesafesinin yaklaşık 5 katı kadar bir mesafede döner. Jüpiter'in 14 uydusu vardır.
Roemer, şekil 1'de Io ile işaretlenmiş en yakın uyduyu gözlemledi. Dünya'dan görüldüğü gibi Jüpiter'in etrafında dönen bu uydu, gezegenin önünden geçiyor, sonra onun gölgesine saklanıyor ve yeniden ortaya çıkıyor. Yani bir kararma yaşıyor. Tutulmayı gözlemleyen Roemer, bu uydunun dönüş süresini, yani Jüpiter'in gölgesinin iki görünümü arasındaki süreyi ölçtü. Ölçümleri ilk kez Dünya'nın (Z) Jüpiter gezegenine en yakın olduğu dönemde gerçekleştirdi. Daha sonra ölçümler, Dünya'nın Jüpiter gezegeninden en uzak noktada olduğu sırada tekrarlandı. Bu ölçümler, beklenmedik bir şekilde, Io uydusunun, Dünya'nın Jüpiter gezegenine en yakın olduğu andaki sonuca göre, ortaya çıkışını yaklaşık 1000 saniye "geciktirdiğini" gösterdi. Bu durumda gecikme, ışığın en yakın konum 1'den en uzak konum 2'ye kadar 1000 j'ye ihtiyaç duymasından kaynaklanmaktadır (Şekil 1). Dünyanın Güneş etrafındaki yörüngesinin ortalama çapı yaklaşık 300 000 000 km ve ışığın bunu kat etmesi için geçen süre ve yaklaşık 1000 s'lik bir mesafe ise, Remer tarihte ilk kez ışığın hızını ölçtü ve şu sonucu elde etti: şu anda belirlenen 300 000 km/s değerine yakın bir değer.
Dünya koşullarında doğrudan zaman ve mesafe ölçümlerini kullanarak ışık hızını ölçmenin neden mümkün olmadığı anlaşıldı. Sadece bir saniyede Dünya ekvatorunun 7,5 katı mesafeyi kat eder.
19. yüzyılda hızı ölçmek için çeşitli laboratuvar yöntemleri geliştirildi; bunların arasında 1849'dan kalma ünlü Fizeau yöntemi de vardı. dönen bir dişliyle veya Michelson'un dönen bir aynayla yöntemi.
Bu dönemde ışığın çeşitli maddelerdeki hızları da ölçüldü. Örneğin 1856'da ışığın sudaki hızı ölçülmüş ve boşluğa göre 4/3 kat daha düşük olduğu bulunmuştur. Işık hızının belirlenmesi bilimde çok önemli bir rol oynadı. Diğer şeylerin yanı sıra ışığın doğasını belirlemede önemli bir rol oynadı.
Günümüz görüşlerine göre ışığın boşluktaki hızının evrensel sabitlerden biri olması özel bir öneme sahiptir. Bu mümkün olan en yüksek hızdır. Hiçbir cisim bu hıza ulaşamaz. Işığın boşluktaki hızının bugünkü değeri:
S = 299 792 458 m s-1 (doğru).
Bu hızın yalnızca elektromanyetik dalgaların boşlukta yayılma hızı değil, modern görüşlere göre etkileşim hızı olduğu ortaya çıktı. Maxwell'e göre kendini ilişkiyle ifade ediyor.
burada ε0 elektrik sabitidir (vakumda dielektrik sabiti) ve μ0 manyetik sabittir (vakumda manyetik geçirgenlik). Işık hızının sabitliği, Einstein'ın özel görelilik teorisinin en önemli önermelerinden biridir. Işığın bir ortamdaki hızı aşağıdaki ilişkiyle verilir:
bununla
εr ortamın dielektrik sabitidir, n ise manyetik geçirgenliğidir; bu, tüm maddeler için (ferromıknatıslar hariç) 1'e çok yakın bir sayıdır ve mutlak kırılma indisidir. bu sabitlerle geçen sene tanıştınız (Fizik II dersi lise eğitiminde reform yaptı).