ضوء

الضوء هو الإشعاع الكهرومغناطيسي داخل جزء معين من الطيف الكهرومغناطيسي. تشير الكلمة عادة إلى الضوء المرئي ، وهو الطيف المرئي المرئي للعين البشرية والمسؤول عن الإحساس بالعين. يتم تعريف الضوء المرئي عادة على أنه يمتلك أطوال موجية في نطاق 400 – 700 نانومتر (nm) أو 4.00 × 10−7 إلى 7.00 × 10−7 m ، بين الأشعة تحت الحمراء (ذات الأطوال الموجية الأطول) والأشعة فوق البنفسجية (ذات الأطوال الموجية الأقصر) . هذا الطول الموجي يعني نطاق تردد ما يقرب من 430-7750 تيراهيرتز (THz).

المصدر الرئيسي للضوء على الأرض هو الشمس. يوفر ضوء الشمس الطاقة التي تستخدمها النباتات الخضراء لخلق السكريات في الغالب في شكل النشويات ، والتي تطلق الطاقة في الكائنات الحية التي تهضمها. هذه العملية من التمثيل الضوئي توفر تقريبا كل الطاقة التي تستخدمها الكائنات الحية. من الناحية التاريخية ، كان مصدرًا هامًا آخر للإنارة بالنسبة للإنسان هو النيران ، من نيران المخيم القديمة إلى مصابيح الكيروسين الحديثة. مع تطوير الأضواء الكهربائية وأنظمة الطاقة ، استبدلت الإضاءة الكهربائية بفعالية النار. تولد بعض أنواع الحيوانات الضوء الخاص بها ، وهي عملية تسمى تلألؤ بيولوجي. على سبيل المثال ، تستخدم اليراعات الضوء لتحديد زملائها ، وحبار مصاصو الدماء يستخدمونها لإخفاء أنفسهم من الفريسة.

الخصائص الأساسية للضوء المرئي هي الكثافة أو اتجاه الانتشار أو التردد أو الطيف الطول الموجي ، والاستقطاب ، في حين أن سرعتها في الفراغ ، 299،792،458 متر في الثانية ، هي واحدة من الثوابت الأساسية للطبيعة. تم العثور على الضوء المرئي ، كما هو الحال مع جميع أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي (EMR) ، على نحو تجريبي للتحرك دائما بهذه السرعة في الفراغ.

في الفيزياء ، يشير المصطلح في بعض الأحيان إلى الإشعاع الكهرومغناطيسي من أي طول موجي ، سواء كان مرئياً أم لا. وبهذا المعنى ، فإن أشعة gاما ، والأشعة السينية ، والميكروويف ، والموجات اللاسلكية هي أيضا خفيفة. مثل جميع أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي ، ينتشر الضوء المرئي كموجات. ومع ذلك ، يتم امتصاص الطاقة التي تنقلها الأمواج في مواقع واحدة بالطريقة التي يتم بها امتصاص الجسيمات. وتسمى الطاقة الممتصة للموجات الكهرومغناطيسية الفوتون ، وتمثل كمية الضوء. عندما تتحول موجة ضوئية ويتم امتصاصها كالفوتون ، تنهار طاقة الموجة على الفور إلى مكان واحد ، وهذا الموقع هو المكان الذي يصل فيه الفوتون. هذا هو ما يسمى انهيار الدالة الموجة. وتعرف هذه الطبيعة الشبيهة بالموجة المزدوجة وتشبه الجسيم الضوء باسم ازدواجية الموجة والجسيم. تعتبر دراسة الضوء ، المعروفة باسم البصريات ، منطقة بحث مهمة في الفيزياء الحديثة.

الطيف الكهرومغناطيسي والضوء المرئي
عموما ، الإشعاع الكهرومغناطيسي ، أو EMR (الإشعاع “التعيين” يستبعد المجالات الكهربائية والمغناطيسية الثابتة والقريبة) ، يصنف بواسطة الطول الموجي إلى الراديو ، والموجات الدقيقة ، والأشعة تحت الحمراء ، والمنطقة المرئية التي ندركها كالضوء والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وجاما أشعة.

يعتمد سلوك EMR على طول موجاتها. الترددات العالية لها أطوال موجية أقصر ، و الترددات المنخفضة لها أطوال موجية أطول. عندما يتفاعل EMR مع ذرات وجزيئات مفردة ، يعتمد سلوكه على كمية الطاقة لكل كمية ينقلها.

يتألف الـ EMR في منطقة الضوء المرئي من الكميات (تسمى الفوتونات) التي تقع في الطرف الأدنى من الطاقات التي تكون قادرة على التسبب في الإثارة الإلكترونية داخل الجزيئات ، مما يؤدي إلى تغييرات في الترابط أو كيمياء الجزيء. في الطرف الأدنى من طيف الضوء المرئي ، يصبح الـ EMR غير مرئي للبشر (الأشعة تحت الحمراء) لأن فوتوناته لم تعد تمتلك طاقة فردية كافية لإحداث تغيير جزيئي دائم (تغيير في التشكل) في جزيء العين الشبكي في شبكية العين البشرية ، التغيير يثير الإحساس بالرؤية.

توجد حيوانات حساسة لأنواع مختلفة من الأشعة تحت الحمراء ، ولكن ليس عن طريق امتصاص الكم. يعتمد استشعار الأشعة تحت الحمراء في الثعابين على نوع من التصوير الحراري الطبيعي ، حيث يتم رفع الحزم الصغيرة من الماء الخلوي في درجة الحرارة عن طريق الأشعة تحت الحمراء. يسبب EMR في هذا النطاق تأثيرات الاهتزاز والتسخين الجزيئي ، وهي طريقة اكتشاف هذه الحيوانات لها.

وفوق نطاق الضوء المرئي ، يصبح الضوء فوق البنفسجي غير مرئي للبشر ، ويرجع ذلك في الغالب إلى أنه يتم امتصاصه من قبل القرنية التي تقل عن 360 نانومتر والعدسة الداخلية تحت 400. وعلاوة على ذلك ، فإن القضبان والمخاريط الموجودة في شبكية العين البشرية لا يمكنها الكشف عن نفسها باختصار (أقل من 360 نانومتر) موجات الأشعة فوق البنفسجية وهي في الواقع تضررت من الأشعة فوق البنفسجية. العديد من الحيوانات ذات العيون التي لا تحتاج إلى عدسات (مثل الحشرات والروبيان) قادرة على اكتشاف الأشعة فوق البنفسجية ، بواسطة آليات امتصاص الفوتون الكمومي ، بنفس الطريقة الكيميائية التي يكتشف فيها البشر الضوء المرئي.

تحدد مصادر متنوعة الضوء المرئي بشكل ضيق مثل 420 إلى 680 إلى نطاق واسع من 380 إلى 800 نانومتر. في ظل ظروف المختبر المثالية ، يمكن للأشخاص رؤية الأشعة تحت الحمراء حتى 1050 نانومتر على الأقل ؛ قد يرى الأطفال والشباب أن موجات الأشعة فوق البنفسجية تنخفض إلى حوالي 310 إلى 313 نانومتر.

يتأثر نمو النبات أيضًا بالطيف اللوني للضوء ، وهي عملية تعرف باسم photomorphogenesis.

سرعة الضوء
يتم تحديد سرعة الضوء في الفراغ لتكون بالضبط 299،792،458 m / s (تقريباً 186،282 ميلاً في الثانية). إن القيمة الثابتة لسرعة الضوء في وحدات SI تنتج عن حقيقة أن العداد قد تم تحديده الآن من حيث سرعة الضوء. جميع أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي تتحرك بنفس السرعة نفسها في الفراغ.

لقد حاول علماء الفيزياء المختلفون قياس سرعة الضوء عبر التاريخ. حاول غاليليو قياس سرعة الضوء في القرن السابع عشر. تم إجراء تجربة مبكرة لقياس سرعة الضوء من قبل أويلي رومر ، الفيزيائي الدنماركي ، في 1676. باستخدام التلسكوب ، لاحظ رومر حركات المشتري وأحد أقماره ، أيو. مشيرا إلى التناقضات في الفترة الظاهرة من مدار Io ، حسبت أن الضوء يستغرق حوالي 22 دقيقة لاجتياز قطر مدار الأرض. ومع ذلك ، لم يكن حجمها معروفًا في ذلك الوقت. إذا كان رومر يعرف قطر مدار الأرض ، فإنه قد حسبت سرعة قدرها 227،000،000 م / ث.

تم إجراء قياس آخر أكثر دقة لسرعة الضوء أوروبا بواسطة Hippolyte Fizeau في عام 1849. أخرج Fizeau شعاع ضوء في مرآة على بعد عدة كيلومترات. وضعت عجلة مسننة دوارة في مسار شعاع الضوء أثناء انتقالها من المصدر ، إلى المرآة ومن ثم عادت إلى أصلها. وجد Fizeau أنه عند معدل معين من الدوران ، سيمر العارضة من خلال فجوة واحدة في العجلة على المخرج والفجوة التالية في طريق العودة. مع معرفة المسافة إلى المرآة ، وعدد الأسنان على العجلة ، ومعدل الدوران ، تمكنت Fizeau من حساب سرعة الضوء بـ 313،000،000 m / s.

قام ليون فوكو بتجربة تستخدم مرايا دوارة للحصول على قيمة قدرها 298،000،000 متر / ثانية في عام 1862. أجرى ألبرت أ. ميكلسون تجارب على سرعة الضوء من عام 1877 حتى وفاته في عام 1931. قام بتكرير طرق فوكو في عام 1926 باستخدام دوران محسّن مرايا لقياس الوقت الذي استغرقه الضوء للقيام برحلة ذهابا وإيابا من جبل ويلسون ل تتزايد سان أنطونيو في كاليفورنيا . أسفرت القياسات الدقيقة عن سرعة 299،796،000 م / ث.

السرعة الفعلية للضوء في مختلف المواد الشفافة التي تحتوي على المادة العادية ، هي أقل من الفراغ. على سبيل المثال ، سرعة الضوء في الماء حوالي 3/4 من ذلك في الفراغ.

وقيل إن فريقين مستقلين من علماء الفيزياء يجلبان الضوء إلى “توقف تام” عبر تمريره من خلال مكثف بوز-آينشتاين لعنصر الروبيديوم ، فريق واحد في جامعة هارفارد جامعة ومعهد Rowland للعلوم في كامبريدج ، ماساتشوستس والأخرى في هارفارد سميثونيان مركز للفيزياء الفلكية ، وأيضا في كامبريدج . ومع ذلك ، فإن الوصف الشائع للضوء الذي يتم “إيقافه” في هذه التجارب يشير فقط إلى الضوء المخزن في حالات الذرات المثارة ، ثم يعاد إرساله في وقت لاحق تعسفي ، كما يتم تحفيزه بواسطة نبضة ليزر ثانية. خلال الوقت الذي “توقفت فيه” توقفت عن أن تكون خفيفة.

بصريات
تسمى دراسة الضوء وتفاعل الضوء والمادة البصريات. إن ملاحظة ودراسة الظواهر البصرية مثل قوس قزح والشفق القطبي تقدم العديد من الإشارات حول طبيعة الضوء.

الانكسار

مثال على انكسار الضوء. يبدو القشة عازمة ، بسبب انكسار الضوء عندما يدخل السائل من الهواء.

الانكسار هو انحناء أشعة الضوء عند المرور عبر سطح بين مادة شفافة وأخرى. يتم وصفه من قبل قانون سنيل:


حيث θ1 هي الزاوية بين الشعاع والسطح العادي في الوسط الأول ، θ2 هي الزاوية بين الشعاع والسطح الطبيعي في الوسط الثاني ، و n1 و n2 هي مؤشرات الانكسار ، n = 1 في الفراغ و ن> 1 في مادة شفافة.

عندما يعبر شعاع ضوئي الحدود بين فراغ ووسط آخر ، أو بين وسيطين مختلفين ، يتغير طول موجة الضوء ، لكن التردد يبقى ثابتًا. إذا كان شعاع الضوء غير متعامد (أو بالأحرى عادي) إلى الحد ، فإن التغيير في الطول الموجي يؤدي إلى تغيير في اتجاه الحزمة. هذا التغيير في الاتجاه يعرف بالانكسار.

وكثيرا ما تستخدم جودة الانكسار للعدسات لمعالجة الضوء من أجل تغيير الحجم الظاهر للصور. وتعد النظارات المكبرة ، والنظارات ، والعدسات اللاصقة ، والمجاهر ، والتلسكوبات الانكسارية أمثلة على هذا التلاعب.

مصادر الاضاءة
هناك العديد من مصادر الضوء. يبعث الجسم في درجة حرارة معينة طيفًا مميزًا من إشعاع الجسم الأسود. مصدر حراري بسيط هو أشعة الشمس ، الإشعاع المنبعث من كروموسفير الشمس عند حوالي 6000 كلفن (5،730 درجة مئوية ، 10،340 درجة فهرنهايت) يبلغ ذروتها في المنطقة المرئية من الطيف الكهرومغناطيسي عند رسمها في وحدات الطول الموجي وحوالي 44 ٪ من طاقة أشعة الشمس التي تصل إلى الأرض مرئية. مثال آخر هو المصابيح المتوهجة ، التي تصدر فقط حوالي 10 ٪ من طاقتها كضوء مرئي والباقي تحت الحمراء. مصدر الضوء الحراري الشائع في التاريخ هو الجسيمات الصلبة المتوهجة في اللهب ، ولكن هذه أيضا تنبعث معظم إشعاعها في الأشعة تحت الحمراء ، وفقط جزء في الطيف المرئي.

ذروة الطيف الأسود في الأشعة تحت الحمراء العميقة ، في حوالي 10 ميكرومتر الطول الموجي ، لأجسام باردة نسبيا مثل البشر. ومع ارتفاع درجة الحرارة ، تتغير ذروتها إلى أطوال موجية أقصر ، وتنتج أولاً وهجًا أحمرًا ، ثم تضيء باللون الأبيض ، وأخيراً لون أزرق-أبيض ، بينما تنتقل الذروة من الجزء المرئي من الطيف إلى الأشعة فوق البنفسجية. يمكن رؤية هذه الألوان عندما يتم تسخين المعدن إلى “أحمر حار” أو “حار أبيض”. لا ينظر للانبعاث الحراري الأزرق – الأبيض في كثير من الأحيان ، إلا في النجوم (اللون الأزرق النقي المشهور عادة في لهب غاز أو شعلة لحام هو في الواقع بسبب الانبعاث الجزيئي ، لا سيما من خلال جذور CH (التي تنبعث منها شريط طول موجة حول 425 نانومتر ، ولا ينظر في النجوم أو الإشعاع الحراري النقي).

تنبعث الذرات وتمتص الضوء في الطاقات المميزة. هذا ينتج “خطوط الانبعاثات” في طيف كل ذرة. يمكن أن يكون الانبعاث التلقائي ، كما هو الحال في الثنائيات الباعثة للضوء ، مصابيح تفريغ الغاز (مثل مصابيح النيون وعلامات النيون ، مصابيح بخار الزئبق ، إلخ) ، واللهب (الضوء من الغاز الساخن نفسه) ، على سبيل المثال ، الصوديوم في شعلة غاز تنبعث منها ضوء أصفر مميز). يمكن أيضا أن تكون محفز الانبعاثات ، كما هو الحال في الليزر أو مازر مايكرويف.

إن تباطؤ الجسيمات المشحونة الحرة ، مثل الإلكترون ، يمكن أن ينتج إشعاعًا ظاهريًا: فالإشعاع السايكلوتروني والإشعاع السينكروتروني والإشعاع bremsstrahlung كلها أمثلة على ذلك. يمكن للجسيمات التي تتحرك بسرعة متوسطة من سرعة الضوء في هذا الوسط أن تنتج إشعاعا شيرينكوف المرئي. تنتج بعض المواد الكيميائية إشعاعًا مرئيًا عن طريق الإشعاع الكيميائي. في الكائنات الحية ، هذه العملية تدعى تلألؤ بيولوجي. على سبيل المثال ، تنتج اليراعات الضوء بهذه الطريقة ، والقوارب التي تتنقل عبر الماء يمكن أن تزعزع العوالق التي تنتج أعقاب متوهجة.

تنتج بعض المواد الضوء عندما تكون مضاءة بإشعاع أكثر حيوية ، وهي عملية تعرف باسم الفلورة. تبعث بعض المواد الضوء ببطء بعد إثارة بواسطة إشعاع أكثر حيوية. هذا هو المعروف باسم phosphorescence. يمكن أيضا أن تكون المواد الفسفورية متحمسة بقذفها بجسيمات دون ذرية. Cathodoluminescence هو مثال على ذلك. يتم استخدام هذه الآلية في أجهزة تلفزيون أنبوب أشعة الكاثود وشاشات الكمبيوتر.

يمكن لبعض الآليات الأخرى أن تنتج الضوء:

تلألؤ بيولوجي
إشعاع شيرينكوف
Electroluminescence
ومضة
ضيائية صوتية
معان احتكاكي

عندما يكون المقصود من مفهوم الضوء هو تضمين فوتونات عالية الطاقة (أشعة gاما) ، فإن آليات التوليد الإضافية تشمل:

الجسيم-مكافحة الجسيمات
الاضمحلال الإشعاعي

ضغط خفيف
يمارس الضوء ضغطًا جسديًا على الكائنات الموجودة في مساره ، وهي ظاهرة يمكن استنتاجها من معادلات ماكسويل ، ولكن يمكن تفسيرها بسهولة أكثر من خلال طبيعة الجسيمات الضوئية: الفوتونات تضرب وتحول زخمها. الضغط الخفيف يساوي قوة شعاع الضوء مقسومًا على c ، سرعة الضوء. نظرًا لحجم c ، فإن تأثير الضغط الخفيف لا يكاد يذكر بالنسبة للأشياء اليومية. على سبيل المثال ، يمارس مؤشر ليزر بملي واط واحد قوة تبلغ حوالي 3.3 piconewtons على الكائن المضاء ؛ وبالتالي ، يمكن للمرء أن يرفع بنسًا أمريكيًا بمؤشرات الليزر ، ولكن القيام بذلك يتطلب حوالي 30 مليار مؤشر ليزر بقدرة 1 ميغاوات. ومع ذلك ، في تطبيقات مقياس النانو مثل أنظمة nanoelectromechanical (| NEMS) ، يكون تأثير الضغط الخفيف أكثر أهمية ، واستغلال الضغط الخفيف لتشغيل آليات NEMS ولتبديل مفاتيح البدن النانومترية في الدوائر المتكاملة هو مجال نشط للبحث . في المقاييس الأكبر ، يمكن للضغط الخفيف أن يتسبب في دوران الكويكبات بشكل أسرع ، وأن يتصرف على أشكالها غير المنتظمة كما هو الحال في دوارات الطاحونة الهوائية. كما أن إمكانية صنع أشرعة شمسية تسرّع سفن الفضاء في الفضاء هي أيضا قيد التحقيق.

على الرغم من أن حركة مقياس الإشعاع Crookes كانت تُعزى في الأصل إلى الضغط الخفيف ، إلا أن هذا التفسير غير صحيح. إن دوران Crookes المميز هو نتيجة فراغ جزئي. لا ينبغي الخلط بين هذا وبين مقياس الإشعاع Nichols ، الذي ينتج عن الحركة الخفيفة (الطفيفة) الناجمة عن عزم الدوران (على الرغم من عدم كفاية الدوران الكامل ضد الاحتكاك) مباشرة بسبب الضغط الخفيف. ونتيجة للضغط الخفيف ، تنبأ أينشتاين في عام 1909 بوجود “احتكاك الإشعاع” الذي يعارض حركة المادة. كتب: “الإشعاع سيضغط على جانبي الطبق. وتكون قوى الضغط التي تمارس على الجانبين متساوية إذا كانت اللوحة في حالة راحة. ومع ذلك ، إذا كان في الحركة ، فسوف ينعكس المزيد من الإشعاع على السطح المستقبلي أثناء الحركة (السطح الأمامي) أكثر من السطح الخلفي. وبالتالي ، فإن قوة الضغط الخلفي التي تمارس على السطح الأمامي أكبر من قوة الضغط الذي يعمل على الظهر. ومن ثم ، فبما أنه نتيجة للقوتين ، تظل هناك قوة تمنع حركة اللوحة وتزداد بسرعة اللوحة. سنطلق على هذا “الاحتكاك الإشعاعي” بإيجاز “.

نظريات تاريخية عن الضوء ، حسب الترتيب الزمني
في القرن الخامس قبل الميلاد ، افترض إمبيدوكليس أن كل شيء كان يتألف من أربعة عناصر. النار والهواء والأرض والماء. وأعرب عن اعتقاده بأن أفروديت جعل العين البشرية من العناصر الأربعة وأنها أشعلت النار في العين التي أبطأت من العين مما يجعل الرؤية ممكنة. إذا كان هذا صحيحًا ، فيمكن للمرء أن يرى أثناء الليل خلال النهار وكذلك خلال النهار ، لذا افترض إمبيدوكليس تفاعلًا بين الأشعة من العين والأشعة من مصدر مثل الشمس.

في حوالي 300 قبل الميلاد ، إقليدس كتب Optica ، والتي درس فيها خصائص الضوء. إقليدس يفترض أن الضوء سافر في خطوط مستقيمة ، ووصف قوانين التفكير ودرسها رياضيا. وتساءل عن أن هذا المنظر هو نتيجة لحزمة من العين ، لأنه يسأل كيف يرى المرء النجوم على الفور ، إذا أغلق أحد عينيه ، ثم يفتحها ليلاً. إذا كان الشعاع من العين يسافر بسرعة لا نهاية هذه ليست مشكلة.

في عام 55 قبل الميلاد ، كتب لوكريتيوس ، وهو روماني كان يحمل أفكار ذرات يونانية سابقة ، أن “ضوء الشمس وحرارته ، يتألفان من ذرات دقيقة لا تفقد أي وقت في التصوير عبرها ، مساحة الهواء في الاتجاه المنقول من الحافز “. (من على طبيعة الكون). على الرغم من كونها مشابهة لنظريات الجسيمات اللاحقة ، لم تكن آراء لوكريتيوس مقبولة بشكل عام. كتب بطليموس (القرن الثاني الميلادي) عن انكسار الضوء في كتابه البصريات.

كلاسيكي الهند
في القديم الهند والمدرسة الهندوسية في سامخيا وفيششيشكا ، منذ القرن الأول الميلادي ، طورت نظريات في الضوء. وفقا لمدرسة Samkhya ، الضوء هو واحد من العناصر الأساسية الخمسة “الخفية” (tanmatra) التي تظهر منها العناصر الإجمالية. لم يتم ذكر ذرية هذه العناصر على وجه التحديد ، ويبدو أنها أخذت فعليًا لتكون مستمرة. من ناحية أخرى ، تعطي مدرسة فايشيبكا نظرية ذرية للعالم المادي على الأرض غير الذرية من الأثير والفضاء والزمن. (انظر الذري الهندي.) الذرات الأساسية هي تلك من الأرض (prthivi) ، والمياه (pani) ، والنار (agni) ، والهواء (vayu) تؤخذ الأشعة الضوئية لتكون دفق من سرعة عالية من ذرات tjas (النار). يمكن لجسيمات الضوء أن تظهر خصائص مختلفة اعتمادا على سرعة وترتيبات ذرات تيجاس. يشير Vishnu Purana إلى ضوء الشمس باسم “أشعة الشمس السبعة”.

طور البوذيون الهنود ، مثل Dignāga في القرن الخامس و Dharmakirti في القرن السابع ، نوعًا من الذرّية التي هي فلسفة عن الواقع الذي يتألف من كيانات ذرية تكون لمضات مؤقتة من الضوء أو الطاقة. كانوا ينظرون إلى الضوء على أنه كيان ذري يعادل الطاقة.

ديكارت
فقد اعتبر رينيه ديكارت (1596-1650) أن الضوء كان خاصية ميكانيكية للجسم المضيء ، رافضًا “أشكال” ابن الهيثم و Witelo بالإضافة إلى “الأنواع” من Bacon و Grosseteste و Kepler. في 1637 نشر نظرية انكسار الضوء التي افترضت ، بشكل غير صحيح ، أن الضوء سافر بشكل أسرع في وسط أكثر كثافة من وسط أقل كثافة. توصل ديكارت إلى هذا الاستنتاج قياسا على سلوك الموجات الصوتية. على الرغم من أن ديكارت كان غير صحيح بشأن السرعات النسبية ، إلا أنه كان على صواب في افتراض أن الضوء يتصرف مثل الموجة وفي الخلاصة التي يمكن تفسيرها الانكسار بواسطة سرعة الضوء في وسائل الإعلام المختلفة.

ليس ديكارت هو أول من استخدم القياس الميكانيكي ، ولكن لأنه يؤكد بوضوح أن الضوء ليس سوى خاصية ميكانيكية للجسم المضيء وسيط الإرسال ، تعتبر نظرية ديكارت للضوء بداية للبصريات الفيزيائية الحديثة.

نظرية الجسيمات
اقترح بيار جاسيندي (1592-1655) ، وهو ذرة ذرية ، نظرية الجسيمات للضوء التي نُشرت بعد وفاته في ستينيات القرن السادس عشر. درس إسحاق نيوتن عمل غاسندي في سن مبكرة ، وفضل وجهة نظره حول نظرية ديكارت للجلسة الكاملة. وذكر في فرضيته للضوء لعام 1675 أن الضوء كان يتألف من جسيمات (جزيئات المادة) التي كانت تنبعث في جميع الاتجاهات من مصدر. واحد من نيوتن كانت الحجج ضد الطبيعة الموجية للضوء هي أن الأمواج كانت تعرف بالانحناء حول العوائق ، في حين أن الضوء سافر فقط في خطوط مستقيمة. غير أنه شرح ظاهرة انعراج الضوء (الذي لاحظه فرانشيسكو غريمالدي) بالسماح لجسيم الضوء بإحداث موجة محلية في الأثير.

نيوتن يمكن استخدام نظرية التنبؤ بانعكاس الضوء ، ولكن يمكن فقط تفسير الانكسار من خلال افتراض غير صحيح أن الضوء تسارع عند دخول وسيط أكثر كثافة لأن سحب الجاذبية كان أكبر. نيوتن نشر النسخة النهائية من نظريته في Opticks من 1704. سمعته ساعدت نظرية الجسيمات للضوء للسيطرة على التأثير خلال القرن الثامن عشر. نظرية الجسيمات للضوء أدت لابلاس أن يجادل بأن الجسم يمكن أن يكون ضخمًا لدرجة أن الضوء لا يمكنه الهروب منه. وبعبارة أخرى ، سيصبح ما يسمى الآن بفتحة سوداء. لابلاس سحب اقتراحه في وقت لاحق ، بعد أن أصبحت نظرية الموجات للضوء راسخة كنموذج للضوء (كما أوضح ، لا جسيم أو نظرية الموجات صحيحة بالكامل). ترجمة نيوتن يظهر مقال عن الضوء في هيكل واسع النطاق للفضاء ، من قبل ستيفن هوكينج وجورج آر إل إيليس.

كانت حقيقة أن الضوء يمكن أن يكون مستقطبا لأول مرة من حيث النوع نيوتن باستخدام نظرية الجسيمات. أنتجت Étienne-Louis Malus عام 1810 نظرية الجسيمات الرياضية للاستقطاب. أظهر جان باتيست Biot في عام 1812 أن هذه النظرية شرحت كل الظواهر المعروفة لاستقطاب الضوء. في ذلك الوقت كان الاستقطاب يعتبر دليلا على نظرية الجسيمات.

نظرية الموجة
لشرح أصل الألوان ، طور روبرت هوك (1635-1703) “نظرية النبض” وقارن انتشار الضوء مع تلك الموجات في الماء في عمله 1685 Micrographia (“Observation IX”). في عام 1672 اقترح هوك أن اهتزازات الضوء يمكن أن تكون متعامدة مع اتجاه الانتشار. قام Christiaan Huygens (1629-1695) بتطبيق نظرية الموجات الرياضية للضوء عام 1678 ، ونشرها في كتابه حول الضوء في عام 1690. واقترح أن الضوء كان ينبعث في جميع الاتجاهات كسلسلة من الموجات في وسط يسمى الأثير اللومي. . وبما أن الموجات لا تتأثر بالجاذبية ، فمن المفترض أنها أبطأت عند دخول وسط أكثر كثافة.

كريستيان هيغنز.
وتنبأت نظرية الموجة أن موجات الضوء يمكن أن تتداخل مع بعضها البعض مثل الموجات الصوتية (كما لاحظت في حوالي عام 1800 من قبل توماس يونغ). أظهر الشباب عن طريق تجربة الحيود أن الضوء تصرف كموجات. كما اقترح أيضًا أن تكون الألوان المختلفة ناتجة عن اختلاف أطوال موجات الضوء ، كما أوضحت رؤية الألوان من حيث مستقبلات ثلاثية الألوان في العين. وكان مؤيد آخر لنظرية الموجات ليونارد أويلر. وقد جادل في نوفا ثيوريا لوتيس ولونوم (1746) بأنه يمكن تفسير الانعراج بسهولة بواسطة نظرية الموجة. في عام 1816 ، أعطى “أندريه ماري أمبير” أوغسطين جان فرينيل فكرة أن استقطاب الضوء يمكن تفسيره من خلال نظرية الموجة إذا كان الضوء موجة موجية.

وفي وقت لاحق ، عمل فريسنيل بشكل مستقل على نظرية الموجة الخاصة به للضوء ، وقدمها إلى أكاديمية العلوم في عام 1817. أضاف سايمون دينيس بويسون إلى عمل فريسنيل الرياضي لإنتاج حجة مقنعة لصالح نظرية الموجة ، مما ساعد على الانقلاب. نيوتن نظرية كوربيوسكولار. بحلول عام 1821 ، استطاع فريسنيل أن يظهر عبر الأساليب الرياضية أن الاستقطاب يمكن تفسيره من خلال نظرية الموجات للضوء وفقط إذا كان الضوء مستعرضًا تمامًا ، مع عدم وجود اهتزاز طولي على الإطلاق.

كان ضعف نظرية الموجة هو أن الموجات الضوئية ، مثل الموجات الصوتية ، ستحتاج إلى وسيط للإرسال. إن وجود مادة افتراضية مضيئة أثير اقترحها Huygens في 1678 ألقي شكًا قويًا في أواخر القرن التاسع عشر بواسطة تجربة Michelson – Morley.

نيوتن نظرية الجسيمات تشير إلى أن الضوء سيسافر أسرع في وسط أكثر كثافة ، في حين أن نظرية الموجات من Huygens وغيرها تشير إلى عكس ذلك. في ذلك الوقت ، لا يمكن قياس سرعة الضوء بدقة كافية لتحديد أي نظرية صحيحة. كان أول من قام بإجراء قياس دقيق بما فيه الكفاية هو ليون فوكو في عام 1850. وكانت نتيجته تدعم نظرية الموجة ، وتم التخلي في نهاية المطاف عن نظرية الجسيمات الكلاسيكية ، فقط إلى الظهور جزئيا في القرن العشرين.

النظرية الكهرومغناطيسية

عرض ثلاثي الأبعاد لموجة ضوئية مستقطبة خطيًا يتم تجميدها في الوقت المناسب وتبين المكونين المتذبذبين للضوء ؛ حقل كهربائي ومجال مغناطيسي متعامد مع بعضها البعض وإلى اتجاه الحركة (موجة عرضية).
في عام 1845 ، اكتشف مايكل فاراداي أن مستوي استقطاب الضوء المستقطب خطيًا يدور عندما تسير الأشعة الضوئية باتجاه المجال المغناطيسي في وجود عازل شفاف ، وهو تأثير يُعرف الآن باسم دوران فاراداي. كان هذا أول دليل على ارتباط الضوء بالكهرومغناطيسية. في عام 1846 ، توقع أن الضوء قد يكون نوعًا من الاضطرابات التي تنتشر عبر خطوط المجال المغناطيسي. اقترح فاراداي في عام 1847 أن الضوء كان اهتزازًا كهرومغناطيسيًا عالي التردد ، والذي يمكن أن ينتشر حتى في غياب وسيط مثل الأثير.

ألهم عمل فاراداي جيمس كلارك ماكسويل لدراسة الإشعاع الكهرومغناطيسي والضوء. اكتشف ماكسويل أن الموجات الكهرومغناطيسية ذاتية الانتشار تنتقل عبر الفضاء بسرعة ثابتة ، والتي تصادف أنها تساوي سرعة الضوء التي تم قياسها سابقًا. من هذا ، استنتج ماكسويل أن الضوء كان شكلاً من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي: فقد ذكر هذه النتيجة لأول مرة في عام 1862 في On Physical Lines of Force. في عام 1873 ، نشر كتاب “دراسة حول الكهرباء والمغناطيسية” ، والذي تضمن وصفًا رياضيًا كاملًا لسلوك الحقول الكهربائية والمغناطيسية ، التي لا تزال تُعرف باسم معادلات ماكسويل. بعد فترة وجيزة ، أكد هاينريش هيرتز نظرية ماكسويل بشكل تجريبي عن طريق توليد وكشف موجات الراديو في المختبر ، وإظهار أن هذه الموجات تصرفت تماما مثل الضوء المرئي ، وتظهر خصائص مثل الانعكاس والانكسار والانكسار والتداخل. أدت نظرية ماكسويل وتجارز هيرتز مباشرة إلى تطوير الراديو الحديث والرادار والتلفزيون والتصوير الكهرومغناطيسي والاتصالات اللاسلكية.

في النظرية الكوانتية ، ينظر إلى الفوتونات على أنها حزم موجات من الأمواج الموصوفة في نظرية ماكسويل الكلاسيكية. كانت النظرية الكوانتية ضرورية لتفسير التأثيرات حتى مع الإضاءة البصرية التي لم تستطع نظرية ماكسويل الكلاسيكية (مثل الخطوط الطيفية).

نظرية الكم
في عام 1900 ، اقترح ماكس بلانك ، محاولة تفسير إشعاع الجسم الأسود أنه على الرغم من أن الضوء كان موجة ، فإن هذه الموجات يمكن أن تكسب أو تفقد الطاقة فقط في كميات محدودة تتعلق بترددها. وصف بلانك هذه “الكتل” من “كوانتا” الطاقة الضوئية (من كلمة لاتينية تعني “كم”). في عام 1905 ، استخدم ألبرت أينشتاين فكرة الكميات الخفيفة لشرح التأثير الكهروضوئي ، واقترح أن هذه الكميات الخفيفة لها وجود “حقيقي”. في عام 1923 ، أظهر آرثر هولي كومبتون أن تغير الطول الموجي ينظر إليه عندما يمكن تفسير الأشعة السينية منخفضة الكثافة المتناثرة من الإلكترونات (التي تسمى انتثار كومبتون) بواسطة نظرية الجسيمات للأشعة السينية ، ولكن ليس نظرية الموجات. في عام 1926 ، أطلق جيلبرت لويس على هذه الجسيمات الضوئية.

في نهاية المطاف ، جاءت النظرية الحديثة لميكانيكا الكم لإعطاء الضوء على صورة (بمعنى ما) جسيم وموجة ، و (بمعنى آخر) ، كظاهرة ليست جسيمًا ولا موجة (وهي في الواقع ظواهر مجهرية ، مثل مثل كرات البيسبول أو أمواج المحيط). بدلاً من ذلك ، ترى الفيزياء الحديثة الضوء كشيء يمكن وصفه أحيانًا بالرياضيات المناسبة لنوع واحد من الاستعارة المجهرية (الجسيمات) ، وأحيانًا استعارة مجهرية أخرى (موجات مائية) ، ولكنها في الواقع أمر لا يمكن تخيله بالكامل. وكما في حالة الموجات الراديوية والأشعة السينية المتضمنة في تشتت كومبتون ، لاحظ الفيزيائيون أن الإشعاع الكهرومغناطيسي يميل إلى التصرف وكأنه موجة كلاسيكية في ترددات أقل ، ولكنه أشبه بجسيم كلاسيكي عند ترددات أعلى ، ولكنه لا يفقد بالكامل صفات واحدة أو أخرى. يمكن بسهولة إظهار الضوء المرئي ، الذي يشغل أرضية متوسطة في التردد ، في التجارب التي يمكن وصفها باستخدام نموذج موجة أو جسيم ، أو في بعض الأحيان.

في شباط / فبراير 2018 ، أبلغ العلماء ، لأول مرة ، عن اكتشاف شكل جديد من الضوء ، والذي قد يشمل polaritons ، والذي يمكن أن يكون مفيدا في تطوير أجهزة الكومبيوتر.