Мало что во Вселенной имеет столь же краеугольное значение, как свет. Свет видимого спектра и любое иное излучение настолько прочно вплетены в фундаментальные законы мира, что без них бы не мог существовать космос в том виде, в котором мы его знаем. На скорости света зиждется определение энергии. Свет породил на Земле жизнь. Свет был, есть и остается главным помощником людей в изучении свойств Вселенной. Но, кроме того, свет обратился в инструмент, которым мы пользуемся каждый день.
Самые ранние известные нам труды, посвященные свойствам света, относятся ко времени Древней Греции. Философ и врач Эмпедокл, живший в V в. до н.э., постулировал, что мир состоит из четырех элементов: огня, воздуха, земли и воды. Он предполагал, что богиня Афродита создала человеческий глаз из этих элементов и зажгла в нем огонь, который позволяет нам видеть. Чтобы объяснить, почему мы видим хуже в темноте, Эмпедокл предположил, что лучи от глаза взаимодействуют с лучами от светящихся источников, таких как солнце.
Два века спустя ученый Евклид в своей книге «Оптика» поставил под сомнение выводы Эмпедокла. Как мы моментально видим свет звезд в ночное время? Если из наших глаз идут некие лучи, то скорость этих лучей должна быть бесконечно большой, чтобы они мгновенно добирались до звезд. Евклид предполагал, что свет распространяется по прямой линии.
Ибн аль-Хайсам
Отцом современной оптики, науки о свете, называют средневекового ученого Аль-Хасана ибн аль-Хайсама. Изучив работы Галена и других исследователей и врачей, Аль-Хайсам дал названия различным частям глаза, таким как хрусталик, сетчатка и роговица. Он пришел к выводу, что для того, чтобы видеть объект, необходимо, чтобы луч света исходил от источника или отражался от него до попадания в глаз.
Согласно легенде, однажды Аль-Хайсам заметил свет, проникающий через маленькое отверстие в его темной комнате и создающий образ на противоположной стене. Он провел ряд экспериментов и выяснил, что лучи света движутся по прямой линии, а изображение формируется только при попадании лучей в глаза. Для подтверждения своего открытия ученый продолжал экспериментировать в так называемой камере-обскуре.
Дальнейшее исследование природы света привело к противоборству двух лагерей ученых. Одни считали, что свет представляет собой волну, другие же полагали, что свет состоит из мельчайших частиц — корпускул. Так называемый корпускулярно-волновой дуализм не давал ученым покоя до тех пор, пока не возникла квантовая физика.
Рене Декарт, Роберт Гук и Христиан Гюйгенс придерживались волновой теории и на ее основе открыли множество важных эффектов, таких как дифракция или интерференция. Именно волновая теория позволила предположить, почему белый свет распадается на радугу, — все дело в разной длине волны. В свою очередь Пьер Гассенди, Исаак Ньютон и их последователи указывали на то, что представление о свете как о потоке частиц лучше объясняет некоторые физические явления.
Следующим шагом на пути к пониманию природы света стали работы Альберта Эйнштейна и Макса Планка. Идея о световых квантах, получивших название фотонов, возникла у Макса Планка при рассмотрении задачи о тепловом равновесии абсолютно черного тела со своим излучением. Эйнштейн же анализировал явление фотоэффекта и пришел к выводу, что поглощение световой энергии также происходит квантами. Размышления о физике света привели в том числе к созданию специальной теории относительности.
По мнению Эйнштейна, волновая теория света подходила для объяснения чисто оптических явлений. Однако оптические опыты относятся к средним по времени величинам, поэтому возможно, что оптика неправильно представляет мгновенные процессы, такие как поглощение и испускание света. Так великий ученый примирил два противоборствующих лагеря. Оказалось, что обе теории верны и ошибочны одновременно.
Следующей революцией была первая успешная демонстрация лазера, разработанного физиком и инженером Теодором Майманом, состоявшаяся 16 мая 1960 г. Именно эта дата и была впоследствии избрана Международным днем света. Американский ученый совершил прорыв, используя в лазере новое рабочее тело — рубиновый кристалл.
Запуск первого твердотельного лазера происходил так. Активным веществом внутри твердотельного лазера был рубиновый цилиндрический стержень, выполнявший роль спускового крючка. Для возбуждения использовалась оптическая накачка, осуществляемая лампами фотовспышки. Лампы работали в режиме сверхъярких коротких импульсов, а в качестве резонатора выступали серебряные зеркальные покрытия на торцах стержня из искусственного рубина.
В настоящее время лазерный луч используется не только в области телекоммуникаций, космической связи и медицины, но и в повседневной жизни. Примеры этого — сканеры штрихкодов, которые мы видим в магазинах каждый день, принтеры для офисного использования. Лазер стал неотъемлемой частью многих сфер нашей жизни, включая науку, технологии, медицину и развлечения.
Свет — неисчерпаемый источник энергии. Даже если на Земле закончатся иные виды топлива, человечество всегда сможет положиться на солнечные батареи. Бесчисленное количество технологий полагаются на свойства света. И впереди нас ждет еще много удивительных открытий, связанных с его характеристиками и возможностями.
Фото на главной и на странице: Daniel Herron on Unsplash
