Πραγματική επιστήμη:Είναι το φως κύμα ή σωματίδιο;

Οι επιστήμονες διαφωνούσαν για διακόσια χρόνια για το αν το φως ήταν μια βροχή από μικροσκοπικά σωματίδια ή μια σειρά από κύματα. Στη συνέχεια, μόλις ολοκληρώθηκε η συζήτηση, ο Αϊνστάιν ήρθε μαζί με μια απάντηση που θα έκανε το κεφάλι του Νεύτωνα να περιστρέφεται.

Αποφασίσαμε να εξερευνήσουμε μόνοι μας τις ιδιότητες των κυμάτων και του φωτός.

Τι συμβαίνει όταν τα κύματα συναντούν ένα εμπόδιο;

Όταν τα κύματα συναντούν ένα εμπόδιο, κάμπτονται γύρω από αυτό.

Εάν το φως καμπυλωθεί γύρω από ένα εμπόδιο, θα περιμέναμε το εμπόδιο να ρίξει μια ασαφή σκιά. Αλλά όποιος έχει παίξει κούκλες σκιών ξέρει ότι οι σκιές μπορεί να έχουν αρκετά αιχμηρές άκρες.

Εξαιτίας αυτού, ο επιστήμονας του δέκατου έκτου αιώνα Ισαάκ Νεύτων πίστευε ότι το φως πρέπει να αποτελείται από εκατομμύρια μικροσκοπικά σωματίδια που κινούνται σε ευθεία μονοπάτια.

Περίθλαση

Τι συμβαίνει όταν τα κύματα περνούν από ένα μικρό άνοιγμα;

Τα κύματα απλώνονται καθώς περνούν, σαν να ήταν το άνοιγμα η πηγή των κυμάτων.

Ο επιστήμονας του 17ου αιώνα Christian Huygens επεσήμανε ότι το φως εξαπλώνεται επίσης μέσω ενός ανοίγματος. Αν τοποθετούσατε μια λάμπα πίσω από έναν τοίχο με μια μικρή τρύπα μέσα, το φως που περνά μέσα από την τρύπα δεν θα έμενε στο σχήμα της τρύπας - θα εξαπλωνόταν.

Ο Huygens είπε ότι επειδή το φως περιθλά, πρέπει να αποτελείται από κύματα. Επισήμανε δύο άλλες ιδιότητες του φωτός που υποστήριξαν τη θεωρία του.

Διάθλαση

Ένα μολύβι τοποθετημένο σε ένα ποτήρι νερό φαίνεται να λυγίζει στην επιφάνεια του νερού. Αυτό συμβαίνει επειδή το φως ταξιδεύει πιο αργά μέσα από το νερό από ό,τι μέσω του αέρα.

Ο Huygens είπε ότι εάν τα κύματα φωτός ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες μέσω διαφορετικών υλικών, η αλλαγή στην ταχύτητα θα προκαλούσε κάμψη των κυμάτων. Ονομάζουμε αυτή τη φαινομενική κάμψη διάθλαση .

Πραγματοποιήσαμε ένα ωραίο κόλπο για να δείξουμε τη διάθλαση. {1 λεπτό βίντεο παρακάτω} Θα έπρεπε να είχα καταστήσει σαφές στο βίντεο ότι η κάμερα παρέμεινε ακίνητη καθ' όλη τη διάρκεια της επίδειξης!

Παρεμβολή

Όταν δύο σετ κυμάτων διασταυρώνονται μεταξύ τους, αλληλεπιδρούν με ενδιαφέροντα τρόπο. Σε κάποια σημεία αλληλοακυρώνονται, ενώ σε άλλα προστίθενται και δημιουργούν ένα ισχυρότερο κύμα. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται παρεμβολή .

Δημιουργήσαμε δύο σετ κυμάτων στη δεξαμενή κυμάτων μας. (Θα είχαμε παρατηρήσει μεγαλύτερο μοτίβο παρεμβολής σε μεγαλύτερη δεξαμενή.)

Το 1801 ο Thomas Young απέδειξε ότι το φως παράγει επίσης μοτίβα παρεμβολής.

Μπορείτε να παρατηρήσετε μοτίβα παρεμβολής φωτός κοιτάζοντας μια πηγή φωτός ανάμεσα σε δύο μολύβια.

Όταν τα μολύβια αγγίζουν σχεδόν, μπορείτε να δείτε ένα κάθετο μοτίβο ανοιχτόχρωμων και σκοτεινών γραμμών. Οι σκοτεινές γραμμές είναι εκεί όπου τα φωτεινά κύματα αλληλοεξουδετερώνονται.

Ο Thomas Young ήταν ο πρώτος άνθρωπος που υπολόγισε το μέγεθος των κυμάτων φωτός. Οι μετρήσεις του εξήγησαν γιατί η περίθλαση του φωτός είναι τόσο δύσκολο να φανεί – τα κύματα φωτός είναι τόσο μικρά που μπορούν να λυγίσουν μόνο γύρω από τα πιο μικροσκοπικά εμπόδια.

Φως και ως κύμα και ως σωματίδιο;

Μέχρι το 1800 οι επιστήμονες ήταν σίγουροι ότι το φως ήταν φτιαγμένο από κύματα. Όμως το 1900 επανεμφανίστηκε η θεωρία των σωματιδίων!

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν και ο Μαξ Πλανκ έδειξαν ότι το φως μερικές φορές συμπεριφέρεται σαν κύμα, αλλά μερικές φορές σαν σωματίδιο. Οι ανακαλύψεις τους οδήγησαν στον κλάδο της επιστήμης που είναι γνωστός ως κβαντική φυσική.

Πόροι

Διαβάσαμε δυνατά το Waves:Principles of Light, Electricity and Magnetism, ένα υπέροχο ζωντανό βιβλίο που προτείνω ανεπιφύλακτα. Πήραμε τα περισσότερα από τα πειράματά μας από αυτό το βιβλίο.

Διαβάσαμε για τις συναρπαστικές ανακαλύψεις του Αϊνστάιν και του Πλανκ την περασμένη θητεία στα βιβλία του θείου Άλμπερτ.

Το Veritasium έχει μια εξαιρετική επίδειξη της παρεμβολής κυμάτων και αναδημιουργεί το αρχικό πείραμα διπλής σχισμής που «απέδειξε» (για λίγο!) ότι το φως ήταν ένα κύμα:

***

Συνδέομαι με ευγνωμοσύνη εδώ:

Science Sunday at All Things Beautiful

Εβδομαδιαία σύνοψη σε περίεργα μη κοινωνικοποιημένα παιδιά στο σπίτι