Co rozumiemy poprzez pojęcie światła?

W XVII wieku funkcjonowały dwie teorie na temat natury światła. Według koncepcji stworzonej przez Isaaca Newtona światło jest strumieniem korpuskuł , czyli poruszających się w określonym kierunku cząstek. Christiaan Huygens był natomiast zdania, że światło to fala. Dwieście lat później Clerk Maxwell potwierdził teorię tego ostatniego precyzując, że światło jest falą elektromagnetyczną. Obecnie wiadomo, że światło ma naturę dwoistą, a więc jest zarówno falą elektromagnetyczną, jak i strumieniem cząstek, a dokładnie fotonów. Tę dwoistą naturę światła określa się jako dualizm korpuskularno-falowy i aby tego dowieść, konieczne jest przeprowadzanie dwóch zupełnie różnych eksperymentów.

 

Doświadczenie potwierdzające, że światło jest falą, po raz pierwszy wykonał Young w 1802 roku. Eksperyment polegał na tym, że strumień światła przechodził przez dwie szczeliny stając się źródłem nowych fal, które następnie ulegały interferencji. Zjawisko to w uproszczeniu polega na wzmocnieniu lub wygaszeniu amplitudy fal w wyniku ich nakładania się na siebie. W efekcie zauważyć można na ustawionym przed źródłem światła i szczelinami ekranie jasne i ciemne miejsca, w których nastąpiło odpowiednio wzmocnienie lub wytłumienie fal.

 

Światło to również strumień fotonów, czyli kwantów (najmniejszych możliwych porcji) energii promieniowania świetlnego. Aby to udowodnić, należy skupić się na zjawisku fotoelektrycznym: kiedy światło pada na powierzchnię metalu, cząsteczki wnikają do jego wnętrza i w wyniku zderzeń przekazują elektronom część energii zwiększając w ten sposób ich energię kinetyczną.

 

Zaobserwowanie podwójnej natury światła w tym samym czasie przez wiele lat się nie udawało, jednak w 2015 roku naukowcy z Federalnej Politechniki w Lozannie przeprowadzili eksperyment, który to umożliwił. Zespół prowadzony przez Fabrizio Carbone wpuścił laserowy impuls światła do specjalnie skonstruowanego metalicznego nanokabla, dodając tym samym energii naładowanym cząstkom. W efekcie zaczęły one wibrować. Światło w kablu poruszało się w przeciwnych kierunkach, a w pewnych monetach spotykało wytwarzając falę.

 

Ponadto naukowcy wystrzelili w pobliżu kabla strumień elektronów zmieniających prędkość poruszania się po trafieniu w falę. Przy pomocy odpowiedniego mikroskopu badacze wykryli moment przyspieszania i zwalniania elektronów, dzięki czemu możliwe było zobrazowanie stojącej fali będącej jednocześnie zbiorem cząsteczek. Chociaż wielokrotnie wcześniej przeprowadzano eksperymenty mające na celu udowodnienie dualizmu korpuskularno-falowego, zaobserwowanie obydwu aspektów światła w tym samym czasie udało się dopiero zespołowi Fabrizio Carbone.