Ce este lumina: undă sau corpuscul?

Lumina poate fi descrisă atât ca undă, cât și ca particulă. Există, în special, două experimente care au dezvăluit natura duală a luminii.

Atunci când ne gândim la lumină ca fiind formată din particule, aceste particule sunt numite „fotoni”. Fotonii nu au masă și fiecare poartă o cantitate specifică de energie.

Atunci când ne gândim la propagarea luminii ca la o undă, aceasta este o undă de radiație electromagnetică. Alte exemple de radiații electromagnetice sunt razele X și radiațiile ultraviolete.

Merită să ne amintim că lumina, indiferent dacă se comportă ca undă sau particulă, va călători întotdeauna cu aproximativ 300.000 de kilometri pe secundă şi din câte știm este cel mai rapid fenomen din Univers.

Ce este lumina? Credit: Shutterstock

Experimentul cu două fante

Imaginați-vă că aveți o găleată cu mingi de tenis şi că la doi metri în fața voastră este un panou solid cu două găuri în el, iar la un metru în spatele panoului se află un perete. Dacă scufundați fiecare bilă în vopsea roșie și o aruncați într-o gaură şi apoi prin cealaltă, o aruncare reușită va lăsa o urmă roșie pe perete, formând un model specific de puncte.

Model de puncte. Credit: Sam Baron

Să presupunem în continuare că trimiteţi un singur fascicul de lumină pe același panou cu găuri în el, pe aceeași traiectorie ca şi mingile de tenis. Dacă lumina este un fascicul de particule sau, cu alte cuvinte, un fascicul de fotoni, ne-am aștepta să vedem un model similar cu cel al mingilor de tenis acolo unde particulele de lumină lovesc peretele.

Totuși, nu vom observa acelaşi lucru. În schimb, vedem un model complex de dungi. De ce?

Acest lucru se datorează faptului că lumina, în această situație, acționează ca o undă. Atunci când trimitem un fascicul de lumină prin găuri, acesta se scindează în două fascicule. Cele două unde rezultate interferează apoi una cu cealaltă pentru a deveni fie mai puternice (interferență constructivă), fie mai slabe (interferență distructivă).

O singură undă de lumină se divide în două, generând ceea ce se numește un „model de interferență”. Credit: Sam Baron

Undele creează un model de zăbrele, ceea ce înseamnă o serie de dungi pe perete. În imaginea de mai sus, dungile sunt mai mari și mai luminoase în locurile unde se întâlnesc undele. Decalajele dintre dungi sunt rezultatul interferenței distructive, iar dungile sunt rezultatul interferenței constructive.

Efectul fotoelectric

Experimentul de mai sus arată că lumina se comportă ca o undă. Dar Albert Einstein ne-a arătat că putem descrie lumina ca fiind formată din particule individuale de energie: fotoni. Acest lucru este necesar pentru a explica aşa-numitul „efect fotoelectric”.

Atunci când trimiteţi lumină asupra unei foi de metal, metalul emite electroni: particule încărcate electric. Acesta este efectul fotoelectric.

Înainte de Einstein, oamenii de știință au încercat să explice efectul fotoelectric presupunând că lumina este doar o undă. Pentru a înțelege raționamentul lor, imaginați-vă undele dintr-un lac. Undele au un vârf (maxim) acolo unde unda se ridică și o adâncitură (minim) acolo unde unda coboară.

Acum imaginați-vă că există și o barcă în lac cu soldați Lego la bord. Pe măsură ce valurile ajung la barcă, ele au potențialul de a arunca soldații. Cu cât transportă valurile mai multă energie, cu atât este mai mare forța cu care soldații vor fi aruncați.

Din moment ce fiecare val poate arunca un soldat, cu cât sunt mai multe valuri care ajung la barcă într-un anumit interval de timp, cu atât mai mulți soldați pot să fie aruncați în timpul respectiv.

Undele de lumină au, de asemenea, vârfuri și adâncituri și, prin urmare, se ondulează în mod similar. În teoria undelor luminii, aceste oscilații sunt legate de două proprietăți ale luminii: intensitatea și frecvența.

Mai simplu spus, frecvența unei unde de lumină este numărul de vârfuri care trec de un punct din spațiu într-o anumită perioadă (cum ar fi atunci când un anumit număr de valuri lovesc barca într-un anumit timp). Intensitatea corespunde cu energia undelor (ca energia purtată de fiecare val în lacul nostru).

Oamenii de știință din secolul al XIX-lea şi-au imaginat electronii de pe o foaie de metal comportându-se similar soldaților Lego de pe barca noastră. Atunci când lumina lovește metalul, undele ar trebui să arunce electronii.

Ei au crezut că cu cât intensitatea (energia undelor) este mai mare, cu atât electronii vor zbura mai repede. Altfel spus, cu cât frecvența este mai mare într-o anumită perioadă de timp, cu atât este mai mare numărul de electroni care vor fi aruncați în timpul respectiv.

Ceea ce s-a observat de fapt este opusul! Frecvența luminii care lovește metalul determină viteza electronilor, iar intensitatea luminii sau cantitatea de energie pe care o transportă determină efectiv numărul de electroni eliberaţi din metal.

Explicația lui Einstein

Einstein a avut o explicație excelentă pentru această observație particulară. El a presupus că lumina este formată din particule și, de fapt, nu este o undă. Apoi a legat intensitatea luminii de numărul de fotoni dintr-un fascicul și frecvența luminii de câtă energie transportă fiecare foton.

Atunci când mai mulți fotoni sunt trimişi asupra metalului (intensitate mai mare), există mai multe coliziuni între fotoni și electroni, deci se emit un număr mai mare de electroni. Astfel, intensitatea luminii determină numărul de electroni emiși, mai degrabă decât viteza cu care se deplasează aceştia.

Mărind intensitatea luminii și, prin urmare, numărul de fotoni care bombardează o foaie de metal, vom observa, de asemenea, un număr mai mare de electroni care sunt eliberaţi din metal. Credit: Sam Baron

Atunci când frecvența luminii crește și fiecare foton transportă mai multă energie, fiecare electron preia mai multă energie din coliziune și, prin urmare, va avea o viteză mai mare.

Această explicație i-a adus lui Albert Einstein Premiul Nobel în anul 1921.

Undă sau particulă?

Având în vedere toate cele de mai sus, rămâne o întrebare: este lumina o undă care uneori arată ca o particulă sau o particulă care uneori arată ca o undă? Există un dezacord în acest sens.

Eu cred că lumina este o undă care are proprietăți asemănătoare particulelor în anumite condiții. Dar aceasta rămâne o problemă controversată, una care ne duce pe tărâmul interesant al mecanicii cuantice.

Vă încurajez să cercetaţi mai departe și să vă hotărâți!

Traducere după Curious Kids: is light a wave or a particle?