ЗА ПРИРОДАТА НА СВЕТЛИНАТА. БРЗИНА НА СВЕТЛИНАТА
Што е тоа светлина?
Од она што досега го научивме, знаеме дека светлината има бранова природа. Покажавме дека таа се рефлектира, прекршува, интерферира како и сите други видови бранови. Максвел и Херц покажаа дека светлината има електромагнетна природа, таа значи претставува електромагнетен бран и дека може да се простира и во вакуум.
Но, ваквото гледање за светлината не било секогаш прифатено како научна вистина.
Во текот на развојот на оптичката претстава за природата на светлината појавиле две основни теории: корпускуларна теорија и бранова теорија.
Корпускуларната теорија претпоставува дека светлината претставува рој од многу ситни честици кои често ce однесуваат како еластични топчиња. Користејќи ја оваа теорија уште во 1630 година Рене Декарт, познат математичар, ги објаснил појавите рефлексија и прекршување на светлината. Голем поборник на оваа теорија бил и Исак Њутн, и поради неговиот голем авторитет, научниците-поборници на поинакви сфаќања долго не можеле да ги наметнат своите идеи.
Брановата теорија за природата на светлината започнува со работите на Хајгенс, а е потврдена со откритието и објаснувањето на интерференцијата и дифракцијата на светлината направени од Јунг и детално објаснети од Френел. Во почетокот на XIX век голем број научници ја застапувале идејата за брановата природа на светлината. Прашање било само да се објасни, каква е средината низ која се шири светлината. За да си ги објаснат појавите, застапниците на брановата теорија на светлината претпоставиле дека сиот простор е исполнет со супстанција без маса, која ја нарекле етер. Претставата за хипотетичкиот етер останала да живее речиси цел еден век. Проблемот во врска со оваа замислена супстанција се појавил рано, со откритието на поларизацијата на светлината (за неа ќе зборуваме пошироко подоцна) со која се покажало дека светлината претставува трансверзален бран. Фактот дека трансверзалните бранови можат да се простираат само низ тела во цврста состојба, многу ја усложнувал претставата за етерот како супстанција која е цврста, а го исполнува сиот простор.
Електромагнетната теорија за развиена од Максвел, е исто така, бранова теорија. Според неа, светлината во која и да било точка претставува истовремено осцилирање на јачината на електричното поле Е и магнетната индукција Б. Кај рамниот монохроматски светлински бран тие два вектора осцилираат во две заемно нормални рамнини кои се нормални на насоката на простирањето. Оваа теорија била експериментално потврдена. Така, на пример, појавата дисперзија на светлината била објаснета преку заемнодејството на електричното поле на светлината со полнежите на градивните честици на супстанцијата. Исто така, светлината при паѓање на одредена површина врши притисок врз неа. Светлинскиот притисок, предвиден со електромагнетната теорија бил експериментално измерен.
Постоењето на етерот, како средина, воопшто не се вклопува во Максвеловата теорија за електромагнетната природа на светлината. Подоцна е докажано (со познатиот експеримент на Мајкелсон и Морли) дека етер не постои.
Корпускуларно-бранова теорија. Во текот на развојот на физиката двете теории за природата на светлината (брановата и корпускуларната) постојано биле надградувани и секогаш имале свои застапници.
Што знаеме ние денес за природата на светлината?
Кај некои својства на светлината, особено тие што ce однесуваат нејзиното заемнодејство супстанцијата (емисија, апсорпција, фотоелектричен ефект и сл.) светлината го манифестира својот корпускуларен карактер. Од друга страна, појавите интерференција, дифракција и поларизација на светлината укажуваат на нејзината бранова природа.
Според денешни сознанија, имајќи ја предвид квантната природа на светлината (за која подоцна пошироко ќе зборуваме) светлината дуална природа. Теоријата која се базира на таквата претстава се вика корпускуларно-бранова.
Оваа теорија е само дел од пошироката квантномеханичката теорија, според која се менува и претставата за честиците (за што подоцна повеќе ke научиме). Bo квантната теорија и честиците при движења со големи брзини пројавуваат бранова природа. Значи и тие имаат дуална природа.
Брзина на светлината
Долго време се сметало дека брзината на светлината е бесконечно голема. На тоа укажува секојдневното искуство. Ако во соба запалиме ламба, веднаш сите предмети ќе бидат осветлени.
Луѓето се обидувале со постоење на точни часовници да ja измерат брзината светлината, користејќи светлосни сигнали на растојанија од ред на големина од неколку километри. Сите такви обиди не вродиле со плод. Се чинело дека е многу веројатно дека светлосниот импулс од изворот во истиот момент доаѓа до приемникот - нашето око. Меѓутоа, се покажало дека тоа било само привид. Уште во XVII век била измерена брзината на светлината.
Данскиот астроном О. Ремер во 1676 година прв ја измерил брзината на светлината проучувајќи го движењето на Јупитеровите сателити. Познато е дека Јупитер е планета од Сончевиот систем. Таа се движи околу Сонцето на растојание кое е околу 5 пати поголемо од средното растојание Земја-Сонце. Јупитер има 14 сателити.
Ремер го набљудувал најблискиот сателит означен со Іо на сл.1. Овој сателит, ротирајќи околу Јупитер, гледано од Земјата, поминува пред планетата, потоа се крие во нејзината сенка и повторно се појавува. Значи доживува замрачување. Набљудувајќи го замрачувањето, Ремер го мерел периодот на ротацијата на овој сателит - времетраењето помеѓу две појавувања од Јупитеровата сенка. Мерењата прво ги вршел во време кога Земјата (Z) e најблиску до планетата Јупитер. Потоа мерењата се повторени подоцна, кога Земјата се наоѓала на најоддалеченото Место од планетата Јупитер. Тие мерења неочекувано покажале дека сателитот Io, "задоцнувал" со своето појавување околу 1000 s, во однос на резултатот кога Земјата е најблиску до планетата Јупитер. Задоцнувањето во овој случај доаѓа поради тоа што на светлината и требаат 1000 ѕ од најблиската положба 1 до најоддалечената положба 2 (сл.1). Ако средниот дијаметар на Земјината орбита околу Сонцето е приближно 300 000 000 km и времето потребно светлината да го измине тоа и растојание околу 1000 s, Ремер за прв пат во историјата ја измерил брзината на светлината и добил вредност блиска до денес определената 300 000 km/s.
Станало јасно зошто со помош на директни мерења на време и растојание во Земјини услови не е можно да се измери брзината на светлината. Таа за само една секунда поминува 7,5 пати поголемо растојание од Земјиниот еквадор.
Во текот на ХІХ век биле разработени повеќе лабораториски методи за мерење на брзината помеѓу кои e познатиот метод на Физо од 1849 год. со вртлив запченик, или методот на Мајкелсон со вртливо огледало.
Во тој период биле измерени и брзините на светлината во повеќе супстанции. Така, на пример, во 1856 година била измерена брзината на светлината во водата и се покажало дека таа е 4/3 пати помала отколку во вакуум. Определувањето на брзината на светлината одиграло многу важна улога во науката. Меѓу другото, тоа одиграло важна улога и при утврдувањето на природата на светлината.
Од посебно значење е фактот дека брзината на светлината во вакуум, според денешните гледања, e една од универзалните константи. Тоа е најголемата можна брзина. Ниту едно тело не може да ја достигне таа брзина. Денешната вредност за брзината на светлината во вакуум изнесува:
С = 299 792 458 m s-1 (точно).
Се покажало дека оваа брзина не е само брзина на простирање на електромагнетните бранови во вакуум, туку, таа според модерните гледања e брзина на заемнодејството. Според Максвел, таа ce искажува и со релацијата.
каде што ε0 е електрична константа (диелектрична константа во вакуум) и μ0 е магнетска константа (магнетска пермеабилност во вакуум). Константноста на брзината на светлината е еден од најважните Ајнштајнови постулати на неговата специјална теорија на релативност. Брзината на светлината во некоја средина е дадена со релацијата:
при што
εr е диелектрична константа на средината, н нејзината магнетска пермеабилност, која за сите супстанции (освен феромагнетиците) е бројка многу блиска до 1, а и е апсолутниот индекс на прекршување. со овие константи сте се запознале минатата година (Физика за II клас реформирано гимназиско образование).