Światło Czym naprawdę jest.pdf

Ś wiatło! Czym naprawd ę jest?

Paweł Fiertek

Politechnika Gdańska wydz. FTiMS, KFCS

„Pierwszy mój bł ą d polegał na tym, Ŝ e uznałem drogi planet za doskonałe koła i bł ą d ten

kosztował mnie tym wi ę cej, Ŝ e opierał si ę na autorytecie wszystkich filozofów oraz zgodny był

z metafizyk ą ” - 1609r, Johannes Kepler [1].

Historia, którą przyjdzie mi opowiedzieć rozpoczyna się w małym, dość słabo

wyposaŜonym laboratorium studenckim, którego lokalizacja wydaje się być bardzo

symboliczna. Związane jest to z tym, Ŝe znajduje się on tuŜ nad duŜym audytorium, w

którym od wielu lat prowadzone są wykłady z fizyki dla studentów Politechniki Gdańskiej.

Jakby jacyś nieznani planiści poprzez symbolikę tego miejsca chcieli nam przekazać, Ŝe nad

wykładaną tam wiedzą nadal góruje empiria i to ona jest ostateczną instancją stwierdzającą

co jest, a co nie jest prawdą. Początek roku akademickiego 2006 rozpoczął się bez

jakikolwiek godnych uwagi zdarzeń, a po kilku tygodniach przyszedł czas, by małe

laboratorium zaczęło wypełniać się regularnie studentami. Wśród nich była równieŜ

nieśmiała, z pozoru niczym niewyróŜniająca się studentka o imieniu Kamila. Pewnego dnia

zajęcia na które się udała były wyjątkowo prowadzone przez profesora, z którym miała

wykłady. Usiadła niepewnie przy swoim stanowisku zatytułowanym: „Do ś wiadczenie

Younga” i szybko studiując pozostawioną tam instrukcję, nerwowo rozglądała się, czy

profesor przypadkiem nie nadchodzi. Za długo czekać nie musiała. Po wyrzuceniu kilku

nieprzygotowanych osób i przepytaniu kilku szczęśliwców, którzy sali opuszczać nie

musieli, podszedł on do Kamili. PoniewaŜ była to ostatnia osoba jaka mu pozostała do

przepytania, postanowił zrobić to nieco dokładniej. Usiadł więc obok:

- Dzień dobry.

- Dzień dobry panie profesorze.

- Z jakim doświadczeniem przyjdzie się pani zapoznać na tym stanowisku?

- Z tego co doczytałam, to będzie to doświadczenie Younga.

- Doczytałaś? No dobra, zobaczymy co sobie pani doczytała. Powiedź mi proszę, na czym

polega istota tego doświadczenia?

- Na interferencji światła. {Pośpiesznie powiedziała Kamila.}

- No dobrze, ale przydałoby się to opisać trochę dokładniej. NieprawdaŜ?

- Tak panie profesorze. Mamy tutaj siatkę dyfrakcyjną, przez którą przepuszczamy światło z

lasera, a następnie oglądamy na ekranie obrazy interferencyjne. Później trzeba zmierzyć

odległość siatki od ekranu oraz odległość między plamkami światła na ekranie, podstawić do

wzoru i mamy juŜ obliczoną stałą siatki dyfrakcyjnej.

- Proszę pani! W zasadzie to pytanie było o istotę doświadczenia, a nie jak go przeprowadzić

i co w nim naleŜy zmierzyć? Wobec czego zacznijmy od początku. Czy pamięta pani z

wykładu, czym jest światło?

- Tak, ale tego nie bardzo rozumiem. Na wykładzie było coś o dualizmie falowo-

korpuskularnym. W kaŜdym razie pamiętam, Ŝe światło jest falą elektromagnetyczną w

pewnym przedziale długości fali.

- No właśnie, a teraz proszę mi przypomnieć, jakie doświadczenie przeprowadził w nieco

ponad dwieście lat temu w roku 1801 Thomas Young i dlaczego było to tak waŜne

doświadczenie?

- Thomas Young przepuścił światło przez przesłonę, na której były dwa otwory. Następnie

na ekranie umieszczonym w pewnej odległości od przesłony zaobserwował prąŜki

interferencyjne. To znaczy odwaŜnie interpretował je jako interferencyjne, bo w tamtym

czasie dominowała hipoteza Newtona, która zakładała tylko korpuskularną interpretację

zjawisk dotyczących światła. Mimo, Ŝe juŜ za czasów Newtona, niejaki Hook postulował

falową naturę światła. Zatem było to bardzo waŜne doświadczenie, gdyŜ pozwoliło

przezwycięŜyć autorytet Newtona i zwróciło uwagę innych ludzi na falowy aspekt zjawisk

dotyczących światła, to znaczy dyfrakcję i interferencję.

- Pięknie! Widzę, Ŝe jednak uwaŜała pani na wykładach. Jak pani juŜ wspomniała, Young w

swoim doświadczeniu wykorzystał przesłonę z dwiema blisko leŜącymi szczelinami. Co się,

zatem dzieje z światłem, kiedy przechodzi ono przez szczelinę?

- Skoro światło jest falą, to tak jak kaŜda fala ulega ona załamaniu na krawędzi. Szczelina

jest niczym innym jak dwoma blisko leŜącymi krawędziami. Tak więc, światło ugina się w

jedną i drugą stronę otworu, następnie rozchodzi się jakby ze źródła punktowego. To mi

przypomina coś o zasadzie Huygensa, która zakłada, Ŝe kaŜdy punkt czoła fali jest

traktowany jak źródło nowej fali punktowej. Jeśli dobrze rozumiem, to faza drgań fali

wychodzącej z szczeliny powinna być taka sama jak faza drgań fali wchodzącej?

- Zgadza się. {Z zadowoleniem oznajmił profesor widząc, Ŝe choć jedna z osób na sali

wiedziała coś więcej niŜ to, co było w instrukcji laboratoryjnej. W pełni podbudowany

uzyskaną odpowiedzią kontynuował rozmowę.}

- Jak juŜ pani wspomniała wcześniej, na ekranie światło interferuje ze sobą i powstaje obraz,

który nazywamy obrazem interferencyjnym. Czy mogłaby pani powiedzieć coś więcej na ten

temat?

- Interferencji? Jak pamiętam z wykładów, jest to nakładanie się w jednym miejscu róŜnych

fal tego samego rodzaju, w tym równieŜ dotyczy to fal elektromagnetycznych. Więc, muszą

na ekran padać co najmniej dwie róŜne fale, aby mógł powstać obraz interferencyjny.

Pewnie, dlatego w oryginalnym doświadczeniu była przesłona z dwiema szczelinami. W

naszym przypadku mamy siatkę dyfrakcyjną. Czy są na niej dwie szczeliny?

- Oj! Pani Kamilo, chyba nie bardzo pani wie, co to jest siatka dyfrakcyjna? A wspomniała

pani na samym początku naszej rozmowy, Ŝe będzie pani liczyła stałą siatki dyfrakcyjnej. A

tu się okazuje, Ŝe pani nie wie; Co to jest siatka dyfrakcyjna i co za tym idzie, czym jest jej

stała?

- W instrukcji nie było napisane; co to jest? {Cichym głosem pobrząkała pod nosem.}

- Pani Kamilo, siatka dyfrakcyjna to nic innego jak np. zwykłe szkiełko z naciętymi bardzo

gęsto małymi rowkami, które pełnią funkcję przesłony. Jak równieŜ, moŜe być to …

- JuŜ wiem! {Krzyknęła z entuzjazmem Kamila, nie przejmując się lekkim zaŜenowaniem

profesora, który nie był przyzwyczajony do tego by mu przerywać}. Obszar nie zarysowany

to szczeliny w naszej przesłonie, a odległość między nimi to stała siatki dyfrakcyjnej. Ale w

takim razie, po co Young stosował dwie przesłony w swoim doświadczeniu?

- Widzi pani, najlepiej jak wyjaśnimy to na rysunku (Rys. 1).

Rys. 1 Schemat oryginalnego doświadczenia Younga.

- Jak zapewne pani pamięta Young wykonał swoje doświadczenie ponad dwieście lat temu i

to w czasach, gdy poglądy na temat światła były zdominowane rozwaŜaniami Newtona,

który zdecydowanie sprzeciwiał się, jakoby światło było jakąkolwiek falą. Tak więc,

przedstawienie dowodu na falową naturę światła przez Younga musiało być dostatecznie

przekonujące, by nie został on wyśmiany i posądzony o herezje. Wiedząc o tym, zadbał on o

szczegóły istotne dla dalszych swoich rozwaŜań tak, aby inni słuchacze nie byli w stanie mu

cokolwiek zarzucić. Czy domyśla się pani z rysunku, o jaki szczegół moŜe chodzić?

- Chyba tak. Jak juŜ wspomniałam, faza fali wychodzącej z szczeliny musi być taka sama jak

faza fali padającej na przesłonę. Z tego co widzę na rysunku, na drugiej przesłonie, gdzie

mamy dwie szczeliny dociera do nich czoło fali o tej samej fazie. To znaczy, Ŝe faza fal

wychodzących z obu szczelin musi być taka sama. Czy to jest aŜ tak waŜne?

- Tak i to bardzo, poniewaŜ to, co się dzieje na ekranie bezpośrednio uzaleŜnione jest od

tego; jaka jest róŜnica faz między jedną a drugą wiązką światła padającą na ekran? Young

tłumaczył powstawanie prąŜków na ekranie poprzez róŜnicę dróg jaką światło pokonuje

dochodząc do danego punktu leŜącego na ekranie od jednej i drugiej szczeliny. Jeśli ekran i

przesłona są nieruchome to jesteśmy zmuszeni stwierdzić, Ŝe w kaŜdym momencie czasu

droga, jaką pokonuje światło z przesłony do punktu leŜącego na ekranie nie ulega zmianie.

Skoro tak, to równieŜ nie moŜe zmieniać się w czasie róŜnica faz fal świetlnych

wychodzących z poszczególnych szczelin, skoro obraz równieŜ jest nieruchomy. Aby temu

zaradzić Young musiał wykorzystać jeszcze jedną przesłonę, która była mu potrzebna tylko

po to, by światło docierające do obu szczelin miało taką samą fazę (Przy załoŜeniu, Ŝe nie

mamy przypadkowych przesunięć fazy w czasie. Chodzi o to, Ŝe do ekranu dochodzą

jednocześnie fale, które zostały wyemitowane w róŜnych momentach czasu.). Bez tej

dodatkowej szczeliny, jego słuchacze słusznie zarzuciliby mu fałsz twierdząc, Ŝe światło

dzienne jako fala jest w pełni niespójne. We współczesnej wersji tego doświadczenia nie

korzysta się z pierwszej przesłony. MoŜe pani pamięta, jak ten problem jest rozwiązany

obecnie?

- W instrukcji było coś wspomniane o tym, Ŝe obrazy interferencyjne nie mogą powstać dla

światła niespójnego, stąd do doświadczenia wykorzystuje się światło lasera, które jest

światłem spójnym. Myślę, Ŝe w ten właśnie sposób rozwiązano wspomnianą niedogodność

(Rys. 2).

Rys. 2 Schemat współczesnego doświadczenia Younga.

- Dokładnie. Wobec czego proszę przypomnieć mi, czym jest światło spójne?

- W świetle przytoczonych faktów jest to bardzo proste pytanie panie profesorze. Musi to być

taka własność światła, Ŝe jeśli weźmiemy dowolny przekrój wiązki świetlnej prostopadły do

kierunku jego rozchodzenia się, to w kaŜdym punkcie tego przekroju, faza jaką posiada fala

świetlna musi być taka sama. Wówczas takie światło padając na przesłonę nawet z wieloma

szczelinami, da na wyjściu wiele źródeł fal wychodzących z kaŜdej szczeliny niezaleŜnie, ale

o tej samej fazie bądź stałym przesunięciu fazowym (np. skręcenie siatki względem kierunku

padania światła laserowego).

- Widzę, Ŝe jesteś bardzo bystra! Dokładnie o to chodziło. Dwieście lat temu ludzie nie

posiadali źródeł światła spójnego i słuchacze Younga bez problemu mogli mu zarzucić, Ŝe

światło jakie uŜywa do swoich doświadczeń nie posiada wspomnianej własności. MoŜna

powiedzieć nawet więcej. Światło termiczne pochodzące od mocno rozgrzanych obiektów

takich jak Ŝarówka czy Ŝarzący się kawałek metalu, nie tylko posiada niejednakową fazę w

przekroju wiązki świetlnej, ale faza danej fali zmienia się równieŜ przypadkowo w czasie w

róŜnych punktach. MoŜna więc powiedzieć, Ŝe takie źródło światła jest zupełnie niespójne

zarówno czasowo jak i przestrzennie. Wynika to stąd, Ŝe kaŜdy atom rozgrzanego obiektu

emituje kwant światła niezaleŜnie i w przypadkowym kierunku.

- Rozumiem więc, Ŝe dla światła niespójnego z kaŜdej szczeliny siatki dyfrakcyjnej powinna

wychodzić fala świetlna w zupełnie przypadkowej fazie w stosunku do innych i to jeszcze

zmiennej przypadkowo w czasie? Gdyby na ekran dochodziło światło z wielu szczelin z

przypadkowym przesunięciem fazowym, niemal wszystkie fale dodałyby się tak, Ŝe

zdecydowana większość wygasiłaby się dając ciemny obraz, czyli brak obrazu.

- Dokładnie o to chodziło. Dlatego nie moŜe powstać obraz w doświadczeniu Younga dla

światła niespójnego. No dobra pani Kamilo czas ucieka, a tu trzeba zrobić następujące

zadanie. Mamy tutaj laser wskaźnikowy jako źródło światła spójnego o długości fali

632,8nm, siatkę dyfrakcyjną zestaw cienkich drucików, regulowaną pojedynczą przesłonę i

siatkę ochronną od monitora składającą się z wielu krzyŜujących się pod kątem prostym

cienkich drucików. Pani zadaniem będzie w pierwszej kolejności ustalić stałą siatki

dyfrakcyjnej, później grubość drucika i odległość między krawędziami pojedynczej

szczeliny. Co do drucika i szczeliny podane wzory są przybliŜone. Później, jak starczy pani

czasu, to moŜne się pani jeszcze zapoznać z siatką „ochronną” od monitora, która pozwala

uzyskać bardzo charakterystyczne dobrze widoczne obrazy interferencyjne w postaci siatki

punktów.

- Dobrze panie profesorze.

Po skończonej rozmowie Kamila szybko zabrała się za ustawianie sprzętu

laboratoryjnego i niebawem mogła juŜ przeprowadzić pierwsze pomiary. Po przepuszczeniu

światła laserowego przez siatkę dyfrakcyjną zmierzyła odległość siatki od ekranu jak

równieŜ odległość pierwszej i drugiej plamki światła od środka obrazu. Po uwzględnieniu

wszystkich zmierzonych wielkości określiła stałą siatki dyfrakcyjnej jako: 4,87±0,02m i

zabrała się za pomiar pozostałych wielkości. Spore było jej zdziwienie, gdy przyszedł czas

na doświadczenie z pojedynczą szczeliną. Ku swojemu zdziwieniu stwierdziła, Ŝe

pojedyncza szczelina równieŜ daje takie same prąŜki jak siatka dyfrakcyjna, tylko o znacznie

mniejszym rozsunięciu od środka obrazu i większej ilości. Pamiętała niedawno skończoną

rozmowę z profesorem, Ŝe do powstania obrazu na ekranie w doświadczeniu Younga

potrzeba co najmniej dwóch źródeł światła, by moŜna było mówić o interferencji.

- PrzecieŜ to stoi w jawnej sprzeczności z teorią! {Krzyknęła mimochodem. Usłyszawszy to

profesor podszedł bliŜej i zapytał.}

- Co się stało pani Kamilo. Proszę tak nie wrzeszczeć?

- Panie profesorze. Na początku zajęć stwierdziliśmy, Ŝe w doświadczeniu Younga muszą

być co najmniej dwa źródła światła o tej samej fazie, by moŜna było mówić o stabilnym

obrazie interferencyjnym na ekranie. Tutaj mam tylko jedną szczelinę, a co za tym idzie

tylko jedno źródło światła, a nadal widzimy prąŜki interferencyjne. Chyba coś nie tak z tą

interpretacją pana Younga? {Powiedziała pewnym głosem dumnie podnosząc głowę.}

- Niekoniecznie. Rozwiązanie problemu prąŜków interferencyjnych powstałych po przejściu

światła przez pojedynczą szczelinę wymaga bardziej złoŜonego wyjaśnienia. Pamięta pani

zasadę Huygensa?

- Tak, kaŜdy punkt czoła fali jest traktowany jako źródło nowej fali.

- Tak więc, czoło fali świetlnej padającej na pojedynczą szczelinę moŜemy podzielić na

wiele źródeł nowych fal punktowych, które znajdują się między krawędziami szczeliny.

Następnie, światło z tych źródeł dalej interferuje na ekranie. Jeśli odległość między tymi

źródłami światła będziemy zmniejszać do zera, a ich ilość do nieskończoności, to po

sumowaniu (czyli scałkowaniu) w zakresie od jednej do drugiej krawędzi dla tych fal

uzyskamy obraz prąŜkowy na ekranie. Tak więc, teoria falowa nie widzi w tym Ŝadnej

sprzeczności.

- Rozumiem, Ŝe światło nadal musi być przy tym spójne?

- Myślę, Ŝe raczej na pewno.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: