Самостоятельная работа Электромагнитная природа света 9 класс
Самостоятельная работа Электромагнитная природа света 9 класс с ответами. Самостоятельная работа представлена в двух вариантах , в каждом варианте по 4 задания.
Вариант 1
1. Назовите фамилию немецкого ученого — основоположника квантовой физики.
2. Обладают ли фотоны зарядом?
3. Видимый свет — это небольшой диапазон электромагнитных волн. Длина волны, соответствующая красному свету, равна 7,5 · 10 -7 м. Определите частоту красного света. Скорость света с = 3 · 10 8 м/с.
4. Чему равна энергия фотона, соответствующая световой волне частотой 6,3 · 10 14 Гц? Постоянная Планка 6,6 · 10 -34 Дж · с.
Вариант 2
1. Назовите ученого, который предположил, что свет — это электромагнитная волна.
2. С какой скоростью движутся фотоны в вакууме?
3. Видимый свет — это небольшой диапазон электромагнитных волн. Частота, соответствующая фиолетовому свету, равна 8 · 10 14 Гц. Определите по этим данным длину волны фиолетового света. Скорость света с = 3 · 10 8 м/с.
4. Чему равна энергия фотона, соответствующая световой волне частотой 5,1 · 10 14 Гц? Постоянная Планка 6,6 · 10 -34 Дж · с.
Ответы на самостоятельную работу Электромагнитная природа света 9 класс
Вариант 1
1. Макс Планк
2. Фотоны не обладают зарядом
3. 4 · 10 14 Гц
4. 4,2 · 10 -19 Дж
Вариант 2
1. Джеймс Клерк Максвелл
2. Фотоны распространяются со скоростью света
3. 3,8 · 10 -7 м
4. 3,4 · 10 -19 Дж
Эффект наблюдателя в квантовой физике
Квантовая физика является одной из самых молодых и, пожалуй, наиболее интересных для понимания и изучения наук.
Днём рождения квантовой физики признаётся 14 декабря 1900 года — момент, когда на заседании Берлинского физического общества о фундаментальном открытии квантовых свойств теплового излучения будущий лауреат Нобелевской премии Макс Планк ввёл понятие кванта — неделимой порции определённой величины (чаще всего энергии).
К тому времени самым загадочным явлением в научных кругах всё ещё считался свет, о природе которого на протяжении нескольких веков продолжали спорить физики: даже после проведения знаменитого впоследствии опыта Юнга.
Именно благодаря дискуссиям о природе света учёным удалось открыть свойство квантово-волнового дуализма (корпускулярно-волнового дуализма), а после и эффект наблюдателя.
В статье мы постараемся проследить хронологию исследований световых свойств и дать объяснение эффекту наблюдателя простыми словами.
Эволюция представлений о природе света
Прежде чем установить явление корпускулярно-волнового дуализма, учёные-физики пытались по-своему толковать свет и его свойства.
Человек начал рассуждать о природе света ещё в доисторическом периоде. Тогда считалось, что свет является зрительным механизмом — он изображался как луч света, исходящий из глаза.
Четыре стихии Эмпедокла
Позднее, в пятом веке до нашей эры, древнегреческий учёный Эмпедокл развивал свою теорию о том, что всё, что нас окружает, состоит из четырёх стихий: земля, воздух, вода и огонь. В этой концепции свет представлял собой одну из разновидностей форм огня.
Наглядная демонстрация концепции Эмпедокла
Эмпедокл предполагал, что из глаза свет направлялся к объекту, который человек видел. Солнце в этой системе играло лишь вспомогательную роль: оно не испускало свет как глазной огонь, но приводило в действие его путь.
Атомизм, Демокрит и Аристотель
Современник Эмпедокла Демокрит, древнегреческий философ и один из основоположников атомизма (теории, согласно которой вся существующая материя состоит из неделимых единиц вещества — атомов), считал, что свет, как и все окружающие нас предметы, состоит из частиц, подобных атомам.
Уже в четвёртом веке до нашей эры Аристотель, опираясь на представление о том, что вся материя состоит из четырёх элементов, думал, что свет — возбуждение воздушной стихии.
Диоптрика Декарта
Первое объяснение природе света, отдалённо напоминающее сформировавшуюся позже волновую теорию, дал Декарт в своём труде «Диоптрика» (1637 год). Он описывал свет так:
«Определённый вид движения, или быстрое и живое действие, которое передаётся нашим глазам через толщу воздуха и других прозрачных тел, подобно тому, как движение или сопротивление тел, с которыми сталкивается человек, передаётся его рукам посредством палки».
Первая страница «Диоптрики»
Можно наблюдать, что физики постепенно отходили от древнегреческой модели света как порождения той или иной первородной стихии (огня или воздуха). Начала складываться концепция понимания природы света как волны, а вместе с тем и противодействующая ей гипотеза потока частиц.
Корпускулярная и волновая теории света
Но настоящая борьба двух теорий началась в семнадцатом веке, когда в 1672 году Исаак Ньютон дал краткий ответ о результатах исследований, которыми он хотел опровергнуть предположение Декарта и доказать корпускулярную природу света. Этот ответ был опубликован в журнале «Философские труда Королевского общества» («Philosophical Transactions of the Royal Society»).
Сравнивая лучи с теннисными мячами (затем маленькими мячами, покрытыми шерстяной тканью), Ньютон подразумевает, что свет состоит из частиц. Набросок выше показывает, как физик преобразовал свое исследование в большую камеру-обскуру, пропустив небольшой луч солнечного света через отверстие в ставнях. Его революционность — в последовательном использовании двух призм. Просверлив между ними отверстие в экране, он выделяет отдельные участки спектра первой призмы; затем они проходят через вторую призму и попадают в разные места на втором экране. Из дифференциального преломления Ньютон делает важный теоретический вывод: свет, как он пишет, — это «гетерогенная смесь лучей, преломляемых по-разному» .
Заметка Ньютона в целом вызвала положительную реакцию, однако один учёный-физик резко высказался против теории Ньютона и написал объёмный отзыв с критикой, породив тем самым вражду длиною в жизнь. Автором данного критического ответа был Роберт Гук.
Гук настаивал, что, проведя те же опыты, получил диаметрально противоположный результат, поэтому подвергал сомнению заявление своего коллеги. На протяжении многих лет учёные-физики обменивались письмами, в которых старались защитить свою позицию: Ньютон отстаивал правдивость корпускулярной природы света, а Гук был уверен в справедливости волновой.
В итоге Гук, будучи уверенным в своей правоте, в 1760-е опубликовал волновую теорию света. Его идею продолжил развивать Христиан Гюйгенс и в 1790-е выпустил «Трактат о свете», в котором объяснил такие явления, как отражение и преломление.
На протяжении этого же периода времени Ньютон собирал, систематизировал и обобщал информацию о своей теории света, которую он изложил в своём труде «Оптика», выпущенном в 1704 году.
Отличия корпускулярной и волновой теории света. Истина в том, что для ответа на вопрос нужно было измерить скорость света в вакууме и в веществе.
Описывая свет как корпускулы, Ньютон решил, что свойства света лучше всего объясняются рассмотрением света как потока частиц. Например, явление преломления происходило вследствие изменения частицей направления своего движения из-за воздействия на неё внешних сил.
Преломление — свойство света, приводящее к изменению направления луча при переходе из одного вещества в другое.
Корпускулярная теория также объясняла отражение, которое являлось столкновением светового луча с поверхностью определённого вещества и дальнейшим отталкиванием от неё.
Можно заключить, что и волновая, и корпускулярная теории имели свои плюсы и минусы — достоинства и недоработки.
| Теория | Плюсы | Минусы |
| Волновая теория | Доказательство преломления и отражения | Непонятность в вопросе прохождения волн сквозь вакуумное пространство |
| Корпускулярная теория | Доказательство преломления и отражения | Трудность в объяснении преломления лучей света при прохождении сквозь стекло |
Благодаря авторитету Исаака Ньютона большинство научного сообщества продолжало считать свет потоком частиц, хотя сторонники волновой теории также проводили исследования в доказательство справедливости своей точки зрения. И один из таких экспериментов просто перевернул мир.
Опыт Юнга с двумя щелями и явление интерференции
В 1801 году Томас Юнг провёл свой знаменитый эксперимент с двумя щелями. Он создал конструкцию с двумя узкими щелями, через которые проходили лучи света и попадали на лист бумаги, охватывая его полностью. Юнг увидел на листе бумаги светлые и тёмные полосы, что свидетельствовало о наличии у света явления интерференции.
Интерференция — перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн.
Суть опыта Юнга: фотоны, а также частицы (например, электрон) создают волновую картину, когда используются две щели.
Световые волны, исходящие из двух щелей, интерферировали друг с другом (накладывались друг на друга), вследствие чего на экране появлялись светлые полосы (усиливающая интерференция) и тёмные полосы (ослабляющая интерференция).
Опыт Юнга изменил сознание современников — с того момента весь научный мир считал свет волной и продолжал развивать и дорабатывать эту теорию, закрывая пробелы и разрешая парадоксы. Оставалось дать объяснение многим деталям, наиболее таинственной из которых оставался вопрос о прохождение волн сквозь пустое пространство, в частности через космический вакуум, так как для их распространения нужна среда.
Учёные начали совершенствовать старую теорию невидимого эфира, заполняющего собой всё пространство. Эфир должен был представлять собой вещество, не оказывающее сопротивления проходящим через него объектам, но в то же время способное переносить свет на огромные расстояния, измеряющиеся миллионами километров.
Параллельно с развитием и поиском подтверждения теории эфира сторонники концепции волновой природы света продолжали доказывать её справедливость. Очередным указанием стало определение скорости света в разных средах.
Гипотеза светоносного эфира: Земля движется через «среду» эфира, несущего свет.
Согласно корпускулярной теории скорость света должна увеличиться при переходе из менее плотной среды в более плотную. Однако исследования Жана Бернарда Леона Фуко и Армана Ипполита Луи Физо показали обратный результат, что соответствовало волновой природе света.
Свет как электромагнитная волна и фотоэлектрический эффект
В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свой двухтомный труд «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором описал свет как электромагнитную волну и смог рассчитать его скорость:
Она (подразумевается вычисленная скорость) настолько близка к скорости света, что кажется, будто мы имеем серьёзное основание заключить, что сам свет (включая тепловое излучение и другие виды излучения, если таковые имеются) является электромагнитным возмущением в форме волн.
Однако теория Максвелла имела недостаток — она строилась на модели механического эфира. В 1887 году Альберт Майкельсон и Дэвид Морли провели опыт, желая доказать существование эфира, но результат оказался диаметрально противоположным. Тогда учёным-физикам пришлось обратиться к концепции Майкла Фарадея о существовании электрических и магнитных полей.
Теорию Максвелла собирался подтвердить Генрих Рудольф Герц, но открыл явление фотоэффекта, которое заставило научное сообщество вспомнить о существовании корпускулярной теории света.
Эйнштейн объясняет фотоэлектрический эффект
В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, опираясь на квантовую гипотезу Планка (энергия электромагнитной волны может излучаться и поглощаться исключительно целыми порциями — квантами).
Фотоэлектрический эффект — явление вылета электрона из твёрдых и жидких тел под воздействием электромагнитного излучения.
Учёный предположил, что электромагнитная волна (которой считался свет) состоит из световых квантов (фотонов). Поглощение света происходит так, что фотоны квантами передают собственную энергию электронам вещества.
При фотоэффекте часть электромагнитного излучения отражается от поверхности металла, а другая попадает внутрь и там поглощается. Электрон получает энергию от фотона и совершает работу выхода из вещества, приобретая начальную скорость. Формула:
где h — постоянная Планка, n — частота электромагнитного излучения, A — работа выхода, mv^2/2— кинетическая энергия вышедшего электрона.
Это уравнение объясняет все законы внешнего фотоэлектрического эффекта:
- Суммарное число фотоэлектронов, покидающих поверхность вещества, прямо пропорционально числу фотонов, попадающих на поверхность вещества.
- Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты электромагнитного излучения и работы выхода, но не зависит от интенсивности электромагнитного излучения.
- Для каждого вещества есть граница частоты электромагнитного излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта. Она зависит от работы выхода, химической природы вещества и состояния поверхности.
В итоге физики смогли прийти к заключению и открыли новое явление: корпускулярно-волновой дуализм.
Корпускулярно-волновой дуализм (квантово-волновой дуализм) — явление, заключающееся в том, что материальные объекты при одних определённых условиях ведут себя как классические волны, а при других — как классические частицы.
В 1923 году Луи де Бройль предположил, что не только свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом — но и элементарные частицы.
Дифракция электронов на щели подтверждает теорию корпускулярно-волнового дуализма. Источник изображения: school-collection.edu.ru.
Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как частицы, обладающие определёнными энергиями и импульсами, а в других — как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции. Наукой, которая рассматривает объекты с точки зрения квантово-волнового дуализма, стала квантовая механика.
Чтобы наглядно представить явление квантово-волнового дуализма, вернёмся к уже знакомому нам эксперименту Томаса Юнга — опыта с двумя щелями.
Через щели теперь будут пропускать лишь одну элементарную частицу — электрон. Квантовая механика демонстрирует нам удивительную картину: пока данная элементарная частица не попадёт на экран, она не будет занимать определённого положения в пространстве.
Частица не летит по какой-либо траектории — её «путь» представляет собой систему эволюционирующего набора вероятностей того, какими путями она может двигаться. В данный момент времени эта частица находится нигде. А когда мы начинаем непосредственное наблюдение, мы видим мы её лишь в одном из всех возможных положений.
Здесь мы и знакомимся с эффектом наблюдателя.
Эффект наблюдателя простыми словами
Эффект наблюдателя — теория, что наблюдение за объектом изменяет его свойства.
В квантовой механике термин «наблюдатель» используется в значении, когда мы что-то измеряем. Если в макромире нам достаточно применить какой-либо измерительный прибор (например, нам нужно узнать длину простого карандаша — мы используем для этой цели линейку), чтобы узнать точное или приблизительное значение, то в микромире любая попытка наблюдения (измерения) изменит квантовую систему.
Объяснение эффекта наблюдателя простыми словами.
Проще всего это демонстрируется при помощи мысленного эксперимента Эрвина Шрёдингера.
Есть закрытый ящик, в котором находится живой кот и механизм: счётчик Гейгера с радиоактивным веществом, молоток и колба смертельного яда.
Колба может быть разбита механизмом, приводимым в действие радиоактивным распадом. Однако распад носит вероятностный характер — 50/50.
Если распад произойдёт, то молоток разобьёт колбу и смертельный яд убьёт кота. Если распада не произойдёт, то механизм не сработает и кот будет жив.
Шрёдингер заключил, что пока мы не откроем ящик и не узнаем состояние кота, то он жив и мёртв одновременно. Когда же мы открываем ящик, то видим перед собой кота лишь в одном из возможных состояний.
Визуализация мысленного эксперимента Шредингера
Более поздние исследования показали, что наблюдение как изменение свойств объектов микромира распространяется не только на одну конкретную частицу, но и на другие объекты, находящиеся во взаимодействии с ней. Из этого следует эффект квантовой запутанности. Вкратце это:
Если выбрать одну частицу из определённого количества частиц и повлиять на неё, то состояние изменится у остальных частиц, независимо от условий.
Заключение
Эффект наблюдателя, безусловно, входит в разряд величайших научных открытий, изменивших мир, как и вся квантовая физика.
Если сравнить взгляды на разные явления, которые встречаются в нашей жизни повседневно, с взглядами на них древнегреческих философов или научных деятелей семнадцатого века, то станет ясно, что современная наука проделала огромный путь.
Мы смотрим на мир другими глазами, зная о новейших научных открытиях и экспериментах. Конечно, квантовой физике ещё предстоит решить множество парадоксов и найти ответы на сложные вопросы. Для этого необходимо изучать науку — вы, кстати, можете ознакомиться с фундаментальными трудами ниже (после Q&A) и изучить вопрос основательнее.
В 1888 году Генрих Герц экспериментально подтвердил электромагнитную теорию света Джеймса Максвелла
В 1888г. вышла фундаментальная работа Герца «Об электродинамических волнах в воздухе и их отражении». Физики всего мира начали воспроизводить опыты Герца и повсюду говорили и писали о «волнах Герца». Заключительная работа цикла «О лучах электрической силы», доложенная Герцем 13 декабря 1888 г. на заседании Берлинской академии наук, произвела подлинную сенсацию. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла.
Для проведения опытов Герц придумал и сконструировал излучатель электромагнитных волн, названный впоследствии «вибратором Герца». Он представлял собой два соосных медных стержня диаметром 5 мм и длиной по 1.3 м; на концах стержней были насажены по одному латунному маленькому (диаметром 3 см) шарику и по одной большой цинковой сфере или полусфере (диаметром 30 см). Между маленькими шариками оставался зазор 7. 7,5 мм — искровой промежуток. К медным стержням вблизи маленьких шариков были прикреплены обмотки катушки Румкорфа — преобразователя постоянного тока низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения. При импульсах постоянного тока, вследствие действия прерывателя, в гальванической цепи вторичной обмотки катушки между шариками роскакивали искры и в окружающую среду излучались электромагнитные волны. Перемещением больших сфер (или пластин) вдоль стержней регулировались индуктивность и емкость цепи, определяющие частоты колебаний (и соответственно длины волн).
Для приема излучаемых волн, Герц использовал резонатор, представляющий собой проволочное незамкнутое кольцо диаметром 70 см, с латунными шариками на концах (такими же, как и у «передатчика»). Изменяя размеры и положение резонатора, Герц настраивал его на частоту колебаний вибратора. В результате, между шариками приемника проскакивали искры в тот же самый момент, когда они появлялись шариками вибратора. Искры были очень слабые, поэтому наблюдать за ними приходилось в темноте.
Схема опыта Герца, источник — http://library.brstu.ru/static/bd/istor_ing_dela/personalia/hertz.pdf 
Благодаря своим опытам Герц пришёл к следующим выводам:
1. Волны Максвелла «синхронны» (справедливость теории Максвелла, что скорость распространения радиоволн равна скорости света).
2. Можно передавать энергию электрического и магнитного поля без проводов.
Памятник на могиле Герца,
автор: Joern M, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12667795Б 
Назовите ученого который предложил что свет электромагнитная волна
СВЕТ, зрительное ощущение, возникающее в глазу, и видимое излучение, вызывающее такое ощущение. Это как бы две стороны одного явления – субъективная и физическая. Первой посвящена статья ГЛАЗ, а второй – статьи ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ, ОПТИКА, ФИЗИКА. Ниже дается краткий очерк истории развития представлений о природе света. (Эти представления столь важны для всего хода развития физики, что для полного изложения данного вопроса пришлось бы, пожалуй, написать историю физики.)
Ранние представления.
О том, что такие представления, дошедшие до нас из древних времен, возникли на очень ранней стадии развития человечества, свидетельствуют как их примитивность, так и их разнообразие. От греков, а также индусов дошли утверждения о том, что зрение есть нечто исходящее из глаза и как бы ощупывающее предметы, но также и другие теории, согласно которым свет представляет собой поток вещества, исходящий от видимого предмета. Среди этих гипотез ближе всего к современным представлениям точка зрения Демокрита из Абдеры (5 в. до н.э.). Он учил, что свет – это поток частиц, обладающих определенными физическими свойствами, к которым не относится цвет (ощущение цвета возникает уже как следствие вхождения в глаз света). Он писал: «Сладость существует как условность, горечь – как условность, цвет – как условность; в реальности существуют лишь атомы и пустота».
Позднее платоники дали весьма сложное объяснение сущности зрения, основанное на гипотезе о трех потоках частиц, исходящих из Солнца, предмета и глаза, сливающихся воедино и возвращающихся в глаз. Положительным в этой теории было то, что признавалась необходимость источника света; однако она не привела ни к каким значительным научным выводам, и, по-видимому, новых идей не возникало до 11 в., когда знаменитый арабский ученый Альхазен (аль-Хасан), теории которого лежат в основе современных представлений об устройстве и функциях глаза, вернулся к мысли, что источником света служит светящийся предмет.
В средние века с возрождением наук в Европе пришло понимание того, что правильно объяснить физическое явление можно, лишь полностью изучив происходящее, и этот новый дух науки вызвал особый интерес к оптическим экспериментам. Одновременно с изобретением очков, микроскопа и телескопа в эти же века ученые, такие, как Р.Бэкон, Леонардо да Винчи, Й.Кеплер, Г.Галилей и Р.Декарт, пытались понять физические законы, описывающие истинную природу света. По-видимому, все, кроме Декарта, придерживались эмиссионной теории Альхазена. Декарту же мы обязаны понятием «светоносного эфира» (1637) – бесконечно упругой среды, заполняющей все пространство и передающей свет как некое давление. В начале 20 в. эта концепция была оставлена, но лишь после сотни лет интенсивной разработки, в течение которых она порождала весьма глубокие и долгоживущие гипотезы.
Опыты Ньютона.
В 1666 приступил к экспериментальному изучению природы цвета И.Ньютон. Его выводы, представленные в ряде сообщений Королевскому обществу, произвели глубокое впечатление на научные круги Европы, опровергнув ряд хитроумных гипотез и впервые четко обозначив те фундаментальные вопросы, на которые следовало ответить. В итоге Ньютон создал теорию цвета в том виде, в каком она существует по сей день. Согласно его теории, белый свет есть смесь всех цветов, а предметы кажутся цветными, поскольку отражают в глаз наблюдателя одни компоненты белого цвета более интенсивно, нежели другие. Все это, как и множество других идей, было не просто изложено, но и подтверждено многочисленными искусными и точными экспериментами, результаты которых предвосхищали и отметали все возможные возражения. Даже сегодня серьезное изучение проблем цвета лучше всего начинать с внимательного прочтения «Оптики» Ньютона, впервые опубликованной в 1704; своими общими научными замечаниями особенно интересно ее 4-е издание (1728).
Однако для понимания природы света полученные Ньютоном экспериментальные результаты мало что давали, и здесь он оказался не столь удачлив. Он отверг предположения таких ученых, как Гук и Гюйгенс, основанные на более ранних догадках Декарта о том, что свет представляет собой некие возмущения типа волн (точнее, последовательности импульсов) в светоносном эфире. Между тем эта теория была способна хотя бы качественно объяснить явления интерференции и дифракции света. Ньютон же ошибочно полагал, что ей противоречат явление поляризации света и то обстоятельство, что непрозрачные предметы отбрасывают резкие тени. Его собственная гипотеза состояла в том, что свет – это поток частиц; он вообще не находил объяснения явлению поляризации, а явление интерференции (которое одним из первых начал экспериментально изучать) туманно объяснял «трудным и легким преломлением». Огромный авторитет Ньютона обеспечил господство этих взглядов на протяжении многих лет после его кончины.
Волновая теория.
Лишь в начале 19 в. Т.Юнг в Англии и О.Френель во Франции создали детальную волновую теорию света, способную ответить на возражения Ньютона, а также просто и убедительно объяснить почти все известные в то время оптические явления. Математическая волновая теория Френеля и его последователей лежит в основе современной теоретической оптики, хотя и представляет собой просто теорию волнового движения. Она не нуждается в гипотезах относительно того, в какой среде происходит движение. Однако физика на протяжении всего 19 в. пыталась найти ответ на этот вопрос. Но при разработке чисто механической теории распространения волн в эфире возникла трудность: для объяснения поляризации света требовалось, чтобы световые волны были поперечными (подобно волнам, бегущим по веревке). Всякая среда, в которой могут распространяться поперечные колебания, должна обладать определенной жесткостью; это требование не удавалось согласовать со свойствами пустого пространства. Огромные усилия в этом направлении, в том числе использование самых мощных из существовавших тогда методов математического анализа, оказались тщетными. Всякая объединенная модель эфира, света и атомов, в которой эфир не оказывал бы воздействия на поведение атомов, давала следствия, которые опровергались экспериментом.
Максвелл.
У истоков другого пути поисков природы света лежало открытие Дж.Максвелла, сделанное в 1861 и состоявшее в том, что световые явления связаны с электричеством и магнетизмом. Поначалу эфир рассматривался Максвеллом как сложная механическая система, действие которой проявляется в электрических и магнитных силах, но подчиняется законам механики. На основе уравнений, описывающих этот механизм, Максвелл установил возможность существования электромагнитного поля, способного отделяться от порождающих его зарядов и токов и уже независимо от них распространяться в пространстве с постоянной скоростью 310 745 км/с. Хотя Максвелл не занимался непосредственно построением теории света, совпадение этого числа с величиной скорости света, среднее значение которой по имевшимся тогда данным составляло 311 215 км/с, показалось ему крайне удивительным. (Результаты современных измерений дают 299 792 км/с, что согласуется с расчетами на основе уравнений Максвелла.) 10 декабря 1861 он писал своему другу У.Томсону (впоследствии лорду Кельвину): «Я составлял и решал уравнения, даже не подозревая, что скорость распространения магнитных эффектов может быть близка к скорости света, а потому, думаю, у меня есть основания полагать, что магнитная и светоносная среды идентичны».
Однако самой большой заслугой Максвелла было, пожалуй, то, что он сразу же понял: механическая модель не очень существенна для сделанных выводов. В его более поздней работе эти выводы представлены в их современном виде как соотношения между электрическими и магнитными величинами, остающиеся верными независимо от механического объяснения. Г.Герц показал на опыте, что теория Максвелла количественно верна при описании процессов испускания, распространения и поглощения излучения. Эти открытия сделали задачу сторонников эфира еще более сложной, т.к. теперь им следовало дать объяснение не только явлению света, но и электромагнитным явлениям. См. также ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.
Квантовая теория.
Теория относительности Эйнштейна появилась в 1905 и в удивительно короткий срок, учитывая ее радикальный характер, завоевала всеобщее признание. Отчасти это произошло потому, что теория относительности, благодаря глубокой связи с экспериментальными фактами, продемонстрировала, что теорию эфира следует отбросить. Хотя теория Эйнштейна и не давала ответа на фундаментальный вопрос, каким образом распространяется свет, оставляя проблему почти в том же виде, как и во времена Юнга и Френеля, она выбила почву из-под разного рода теорий эфира, доказав, что для данного вопроса нет механистического решения. См. также ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ.
Когда теория эфира вступала в свою последнюю фазу, столь же фундаментальное и плодотворное замешательство возникло в другой области физики. Еще в 1887 в ходе экспериментальной проверки теории Максвелла Герц был озадачен явлением фотоэффекта (испусканием отрицательных электрических зарядов с поверхности металла под действием света). К 1902 стало очевидно, что теория Максвелла совершенно неверно предсказывает число и энергию электронов, испускаемых при фотоэффекте. Опираясь на высказанную ранее Планком идею, Эйнштейн в 1905 предложил очень простое объяснение фотоэффекта: свет падает на поверхность металла в виде потока частиц (возрождение представлений Ньютона), энергия которых пропорциональна частоте света, и каждая из них выбивает с поверхности один электрон. Пропорциональность энергии частоте записывается в виде E = hn, где E – энергия, n – частота падающего света, а h – универсальный коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Планка. Существование дискретных порций энергии, названных квантами, а позднее фотонами, было экспериментально подтверждено в последующее десятилетие. Предложенное Эйнштейном соотношение выполнялось с высокой точностью и нашло свое место в квантовой теории, когда ее впервые применил к строению атома Н.Бор (1912). См. также КОМПТОНА ЭФФЕКТ; ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ; КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА.
Однако долгое время физический смысл гипотезы Эйнштейна оставался неясным. Очевидно, что говорить о длине волны как о характеристике механической частицы означало бы смешивать электромагнитные и механические свойства, как это было в 19 в. Очевидно также, что интерференцию света от двух щелей невозможно объяснить каким-либо взаимодействием частиц, поскольку частица должна пройти либо через одну, либо через другую щель, и влиять на ее движение обе щели не могут.
Эти и многие подобные вопросы почти 20 лет тревожили сторонников квантовой теории, вздохнувших с облегчением лишь с появлением в 1925 ее современного варианта. Решение было простым, изящным и полностью согласовалось с экспериментом: свет представляет собой волну, но не механическую, пока не происходит обмен энергией с веществом. Переход энергии от света к веществу или от вещества к свету подчиняется соотношению E = hn. Данное соотношение является математическим следствием теории, которая предсказывает, что то же самое справедливо для волны любой природы, например звуковой. В обыденном же опыте дискретность испускания и поглощения энергии не обнаруживается по той причине, что энергия квантов, как правило, мала и лишь поток большого их числа может вызвать зрительное ощущение. (Например, нормальный человеческий глаз, полностью адаптированный к темноте, едва воспринимает освещенность, соответствующую попаданию в глаз примерно 60 фотонов в секунду, а обычные уровни освещенности во много тысяч раз больше.) В то же время фотоэффект и комптон-эффект, которые отражают воздействие отдельных фотонов, а также поглощение звука в кристаллах (соответствующие кванты называют фононами), хорошо известны в физике твердого тела. В настоящее время состояние теории света можно считать удовлетворительным в том смысле, что не осталось значительного объема необъясненной экспериментальной информации. Однако, как видно из истории развития представлений о природе света, нельзя уверенно предсказать судьбу физической гипотезы.