Licht

Licht ist elektromagnetische Strahlung innerhalb eines bestimmten Teils des elektromagnetischen Spektrums. Das Wort bezieht sich normalerweise auf sichtbares Licht, das sichtbare Spektrum, das für das menschliche Auge sichtbar ist und für den Sehsinn verantwortlich ist. Sichtbares Licht wird üblicherweise so definiert, dass es Wellenlängen im Bereich von 400-700 Nanometer (nm) oder 4,00 × 10-7 bis 7,00 × 10-7 m zwischen dem Infrarot (mit längeren Wellenlängen) und dem Ultravioletten (mit kürzeren Wellenlängen) aufweist. . Diese Wellenlänge bedeutet einen Frequenzbereich von etwa 430-750 Terahertz (THz).

Die Hauptquelle des Lichtes auf der Erde ist die Sonne. Sonnenlicht liefert die Energie, die grüne Pflanzen verwenden, um Zucker hauptsächlich in Form von Stärke zu produzieren, die Energie in die Lebewesen freisetzt, die sie verdauen. Dieser Prozess der Photosynthese liefert praktisch die gesamte Energie, die Lebewesen verbrauchen. Historisch war eine andere wichtige Lichtquelle für Menschen Feuer, von alten Lagerfeuern zu modernen Kerosinlampen. Mit der Entwicklung von elektrischen Lampen und Stromversorgungssystemen hat elektrische Beleuchtung Feuerschein effektiv ersetzt. Einige Tierarten erzeugen ihr eigenes Licht, ein Prozess, der Biolumineszenz genannt wird. Zum Beispiel verwenden Glühwürmchen Licht, um Gefährten zu lokalisieren, und Vampir-Tintenfische verwenden es, um sich vor der Beute zu verstecken.

Die primären Eigenschaften des sichtbaren Lichts sind Intensität, Ausbreitungsrichtung, Frequenz- oder Wellenlängenspektrum und Polarisation, während seine Geschwindigkeit im Vakuum, 299.792.458 Meter pro Sekunde, eine der fundamentalen Konstanten der Natur ist. Wie bei allen Arten elektromagnetischer Strahlung (EMR) wird experimentell festgestellt, dass sichtbares Licht sich immer mit dieser Geschwindigkeit im Vakuum bewegt.

In der Physik bezieht sich der Begriff Licht manchmal auf elektromagnetische Strahlung jeder Wellenlänge, ob sichtbar oder nicht. In diesem Sinne sind Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, Mikrowellen und Radiowellen auch leicht. Wie alle Arten von EM-Strahlung breitet sich sichtbares Licht als Wellen aus. Die Energie, die von den Wellen übertragen wird, wird jedoch an einzelnen Orten absorbiert, so wie die Partikel absorbiert werden. Die absorbierte Energie der EM-Wellen wird Photon genannt und repräsentiert die Lichtquanten. Wenn eine Lichtwelle als Photon transformiert und absorbiert wird, kollabiert die Energie der Welle augenblicklich an einem einzigen Ort, und an dieser Stelle trifft das Photon ein. Dies ist der sogenannte Zusammenbruch der Wellenfunktion. Diese duale wellenartige und partikelartige Natur des Lichts ist als Welle-Teilchen-Dualität bekannt. Das Studium des Lichts, bekannt als Optik, ist ein wichtiges Forschungsgebiet in der modernen Physik.

Elektromagnetisches Spektrum und sichtbares Licht
Im Allgemeinen wird EM-Strahlung oder EMR (die Bezeichnung „Strahlung“ schließt statische elektrische und magnetische und Nahfelder aus) durch die Wellenlänge in Radio, Mikrowelle, Infrarot, den sichtbaren Bereich, den wir als Licht wahrnehmen, Ultraviolett, Röntgenstrahlen und Gamma klassifiziert Strahlen.

Das Verhalten von EMR hängt von seiner Wellenlänge ab. Höhere Frequenzen haben kürzere Wellenlängen und niedrigere Frequenzen haben längere Wellenlängen. Wenn EMR mit einzelnen Atomen und Molekülen wechselwirkt, hängt sein Verhalten von der Menge an Energie pro Quantum ab, die es trägt.

EMR im Bereich des sichtbaren Lichts besteht aus Quanten (genannt Photonen), die sich am unteren Ende der Energien befinden, die in der Lage sind, eine elektronische Anregung innerhalb von Molekülen zu bewirken, was zu Veränderungen in der Bindung oder Chemie des Moleküls führt. Am unteren Ende des sichtbaren Lichtspektrums wird EMR für den Menschen unsichtbar (Infrarot), da seine Photonen nicht mehr genügend individuelle Energie haben, um eine dauerhafte molekulare Veränderung (eine Konformationsänderung) im visuellen Molekül Retinal in der menschlichen Retina zu verursachen Veränderung löst das Sehempfinden aus.

Es gibt Tiere, die für verschiedene Arten von Infrarot empfindlich sind, aber nicht durch Quantenabsorption. Die Infrarot-Wahrnehmung in Schlangen hängt von einer Art natürlicher thermischer Bildgebung ab, bei der winzige Pakete zellulären Wassers durch die Infrarotstrahlung in ihrer Temperatur erhöht werden. EMR in diesem Bereich verursacht molekulare Vibrations- und Erwärmungseffekte, wodurch diese Tiere es erkennen.

Oberhalb des Bereichs des sichtbaren Lichts wird ultraviolettes Licht für den Menschen unsichtbar, hauptsächlich weil es von der Hornhaut unter 360 Nanometer und der inneren Linse unter 400 Nanometer absorbiert wird. Darüber hinaus können die Stäbchen und Zapfen, die sich in der Netzhaut des menschlichen Auges befinden, nicht erfassen kurze (unter 360 nm) ultraviolette Wellenlängen und werden tatsächlich durch ultraviolette Strahlung beschädigt. Viele Tiere mit Augen, die keine Linsen benötigen (wie Insekten und Garnelen) sind in der Lage, Ultraviolett durch Quantenphotonen-Absorptionsmechanismen in der gleichen chemischen Weise zu detektieren, wie Menschen sichtbares Licht detektieren.

Verschiedene Quellen definieren sichtbares Licht so eng wie 420 bis 680 bis so breit wie 380 bis 800 nm. Unter idealen Laborbedingungen können Menschen Infrarotstrahlung bis mindestens 1050 nm sehen; Kinder und junge Erwachsene können ultraviolette Wellenlängen bis etwa 310 bis 313 nm wahrnehmen.

Das Pflanzenwachstum wird auch durch das Farbspektrum des Lichts beeinflusst, ein Prozess, der als Photomorphogenese bekannt ist.

Lichtgeschwindigkeit
Die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum ist genau 299.792.458 m / s (ungefähr 186.282 Meilen pro Sekunde) definiert. Der feste Wert der Lichtgeschwindigkeit in SI-Einheiten ergibt sich aus der Tatsache, dass das Messgerät nun in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit definiert ist. Alle Formen der elektromagnetischen Strahlung bewegen sich im Vakuum genau mit derselben Geschwindigkeit.

Verschiedene Physiker haben versucht, die Lichtgeschwindigkeit im Laufe der Geschichte zu messen. Galileo versuchte im 17. Jahrhundert die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Ein frühes Experiment zur Messung der Lichtgeschwindigkeit wurde 1676 von Ole Rømer, einem dänischen Physiker, durchgeführt. Mit einem Teleskop beobachtete Rømer die Bewegungen von Jupiter und einem seiner Monde, Io. Er bemerkte Diskrepanzen in der scheinbaren Periode von Ios Umlaufbahn und berechnete, dass das Licht etwa 22 Minuten benötigt, um den Durchmesser der Erdbahn zu durchqueren. Allerdings war seine Größe zu dieser Zeit nicht bekannt. Hätte Rømer den Durchmesser der Erdumlaufbahn gekannt, hätte er eine Geschwindigkeit von 227.000.000 m / s berechnet.

Eine andere, genauere Messung der Lichtgeschwindigkeit wurde durchgeführt in Europa von Hippolyte Fizeau 1849. Fizeau richtete einen Lichtstrahl auf einen mehrere Kilometer entfernten Spiegel. Ein rotierendes Zahnrad wurde in den Weg des Lichtstrahls gelegt, als es von der Quelle zum Spiegel lief und dann zu seinem Ursprung zurückkehrte. Fizeau stellte fest, dass der Strahl bei einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit auf dem Weg nach draußen durch eine Lücke im Rad und auf dem Rückweg durch die nächste Lücke hindurchtreten würde. Da er die Entfernung zum Spiegel, die Anzahl der Zähne am Rad und die Rotationsgeschwindigkeit kannte, konnte Fizeau die Lichtgeschwindigkeit mit 313.000.000 m / s berechnen.

Léon Foucault führte ein Experiment durch, das rotierende Spiegel verwendete, um 1862 einen Wert von 298.000.000 m / s zu erhalten. Albert A. Michelson führte Experimente über die Lichtgeschwindigkeit von 1877 bis zu seinem Tod 1931 durch. Er verfeinerte Foucaults Methoden im Jahre 1926 mit verbesserter Rotation Spiegel, um die Zeit zu messen, die Licht brauchte, um eine Rundreise von Mount Wilson zu machen Montieren San Antonio im Kalifornien . Die genauen Messungen ergaben eine Geschwindigkeit von 299.796.000 m / s.

Die effektive Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen transparenten Substanzen, die normale Materie enthalten, ist geringer als im Vakuum. Zum Beispiel ist die Lichtgeschwindigkeit in Wasser etwa 3/4 derjenigen im Vakuum.

Zwei unabhängige Physiker-Teams sollen Licht in einen „völligen Stillstand“ bringen, indem sie es durch ein Bose-Einstein-Kondensat des Elements Rubidium, ein Team von Harvard Universität und das Rowland Institute für Wissenschaft in Cambridge , Massachusetts und der andere bei der Harvard-Smithsonian Center für Astrophysik, auch in Cambridge . Die populäre Beschreibung von Licht, das in diesen Experimenten „gestoppt“ wird, bezieht sich jedoch nur auf Licht, das in den angeregten Zuständen von Atomen gespeichert ist und dann zu einem willkürlich späteren Zeitpunkt wieder emittiert wird, wenn es durch einen zweiten Laserimpuls stimuliert wird. In der Zeit, in der es „aufgehört“ hatte, war es nicht mehr hell.

Optik
Das Studium des Lichts und der Wechselwirkung von Licht und Materie wird als Optik bezeichnet. Die Beobachtung und Untersuchung von optischen Phänomenen wie Regenbögen und Aurora Borealis bieten viele Hinweise auf die Natur des Lichts.

Brechung

Ein Beispiel für die Lichtbrechung. Der Strohhalm scheint gebogen zu sein, wegen der Lichtbrechung, wenn er aus der Luft in die Flüssigkeit eintritt.

Refraktion ist die Biegung von Lichtstrahlen beim Durchgang durch eine Oberfläche zwischen einem transparenten Material und einem anderen. Es wird von Snell’s Gesetz beschrieben:


wobei θ1 der Winkel zwischen dem Strahl und der Oberflächennormale in dem ersten Medium ist, θ2 der Winkel zwischen dem Strahl und der Oberflächennormale in dem zweiten Medium ist und n1 und n2 die Brechungsindizes sind, n = 1 in einem Vakuum und n> 1 in einer transparenten Substanz.

Wenn ein Lichtstrahl die Grenze zwischen einem Vakuum und einem anderen Medium oder zwischen zwei verschiedenen Medien überschreitet, ändert sich die Wellenlänge des Lichts, aber die Frequenz bleibt konstant. Wenn der Lichtstrahl nicht orthogonal (oder eher normal) zu der Grenze ist, führt die Änderung der Wellenlänge zu einer Änderung der Richtung des Strahls. Diese Richtungsänderung wird als Refraktion bezeichnet.

Die Brechungsqualität von Linsen wird häufig verwendet, um Licht zu manipulieren, um die scheinbare Größe von Bildern zu verändern. Lupen, Brillen, Kontaktlinsen, Mikroskope und Refraktionsteleskope sind Beispiele für diese Manipulation.

Lichtquellen
Es gibt viele Lichtquellen. Ein Körper bei einer gegebenen Temperatur emittiert ein charakteristisches Spektrum von Schwarzkörperstrahlung. Eine einfache Wärmequelle ist Sonnenlicht, die Strahlung, die von der Chromosphäre der Sonne emittiert wird, bei etwa 6.000 Kelvin (5.730 Grad Celsius) im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, wenn sie in Wellenlängeneinheiten aufgetragen sind, und etwa 44% der Sonnenenergie das den Boden erreicht, ist sichtbar. Ein anderes Beispiel sind Glühlampen, die nur etwa 10% ihrer Energie als sichtbares Licht und den Rest als Infrarot emittieren. Eine gemeinsame thermische Lichtquelle in der Geschichte sind die glühenden festen Teilchen in Flammen, aber diese emittieren auch den größten Teil ihrer Strahlung im Infrarot und nur einen Bruchteil im sichtbaren Spektrum.

Der Peak des Schwarzkörperspektrums liegt im tiefen Infrarot bei etwa 10 Mikrometer Wellenlänge für relativ kühle Objekte wie Menschen. Wenn die Temperatur ansteigt, verschiebt sich der Peak zu kürzeren Wellenlängen und erzeugt zuerst ein rotes Leuchten, dann ein weißes und schließlich eine blau-weiße Farbe, wenn sich der Peak aus dem sichtbaren Teil des Spektrums in das Ultraviolett bewegt. Diese Farben sind zu sehen, wenn Metall auf „rot“ oder „weiß heiß“ erhitzt wird. Die blau-weiße thermische Emission wird nicht oft beobachtet, außer in Sternen (die normalerweise reine blaue Farbe in einer Gasflamme oder einer Schweißbrenner ist tatsächlich auf molekulare Emission zurückzuführen, insbesondere auf CH-Radikale (emittiert ein Wellenlängenband um 425 nm). und wird nicht in Sternen oder reiner Wärmestrahlung gesehen).

Atome emittieren und absorbieren Licht bei charakteristischen Energien. Dies erzeugt „Emissionslinien“ im Spektrum jedes Atoms. Die Emission kann spontan erfolgen, wie bei Leuchtdioden, Gasentladungslampen (wie Neonröhren und Leuchtreklamen, Quecksilberdampflampen usw.) und Flammen (Licht aus dem heißen Gas selbst – also z. B. Natrium in eine Gasflamme emittiert charakteristisches gelbes Licht). Die Emission kann auch angeregt werden, wie in einem Laser oder einem Mikrowellen-Maser.

Die Verzögerung eines freien geladenen Teilchens, wie eines Elektrons, kann sichtbare Strahlung erzeugen: Zyklotronstrahlung, Synchrotronstrahlung und Bremsstrahlung sind Beispiele dafür. Teilchen, die sich in einem Medium schneller als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium bewegen, können sichtbare Cherenkov-Strahlung erzeugen. Bestimmte Chemikalien erzeugen sichtbare Strahlung durch Chemolumineszenz. In Lebewesen wird dieser Prozess Biolumineszenz genannt. Zum Beispiel erzeugen Glühwürmchen Licht auf diese Weise und Boote, die sich durch Wasser bewegen, können Plankton stören, das eine glühende Wake erzeugt.

Bestimmte Substanzen erzeugen Licht, wenn sie durch energiereichere Strahlung beleuchtet werden, ein Prozess, der als Fluoreszenz bekannt ist. Einige Substanzen emittieren nach Anregung durch energiereichere Strahlung langsam Licht. Dies wird als Phosphoreszenz bezeichnet. Phosphoreszierende Materialien können auch angeregt werden, indem sie mit subatomaren Teilchen beschossen werden. Kathodolumineszenz ist ein Beispiel. Dieser Mechanismus wird in Fernsehgeräten mit Kathodenstrahlröhre und Computermonitoren verwendet.

Bestimmte andere Mechanismen können Licht erzeugen:

Biolumineszenz
Tscherenkow-Strahlung
Elektrolumineszenz
Szintillation
Sonolumineszenz
Tribolumineszenz

Wenn das Konzept von Licht auch sehr hochenergetische Photonen (Gammastrahlen) umfassen soll, umfassen zusätzliche Erzeugungsmechanismen:

Teilchen-Antiteilchen-Vernichtung
Radioaktiver Zerfall

Leichter Druck
Licht übt physischen Druck auf Objekte in seinem Weg aus, ein Phänomen, das durch die Maxwellschen Gleichungen abgeleitet werden kann, aber leichter erklärt werden kann durch die Teilchenart des Lichtes: Photonen treffen und übertragen ihren Impuls. Der Lichtdruck ist gleich der Leistung des Lichtstrahls geteilt durch c, die Lichtgeschwindigkeit. Aufgrund der Größe von c ist die Wirkung von Lichtdruck für Alltagsgegenstände vernachlässigbar. Zum Beispiel übt ein Ein-Milliwatt-Laserzeiger eine Kraft von etwa 3,3 Piconewton auf das zu beleuchtende Objekt aus; So könnte man einen US-Penny mit Laserpointern heben, aber das würde ungefähr 30 Milliarden 1-mW-Laserpointer erfordern. Bei Anwendungen im Nanometerbereich, wie z. B. bei nanoelektromechanischen Systemen (| NEMS), ist der Einfluss von Lichtdruck jedoch signifikanter, und die Nutzung von Lichtdruck zur Steuerung von NEMS-Mechanismen und das Umdrehen von physikalischen Schaltern in integrierten Schaltkreisen ist ein aktives Forschungsgebiet . Bei größeren Skalen kann leichter Druck dazu führen, dass sich Asteroiden schneller drehen und auf ihre unregelmäßigen Formen wie auf den Flügeln einer Windmühle einwirken. Die Möglichkeit, Sonnensegel herzustellen, die Raumschiffe im Weltraum beschleunigen würden, wird ebenfalls untersucht.

Obwohl die Bewegung des Crookes-Radiometers ursprünglich auf leichten Druck zurückzuführen war, ist diese Interpretation falsch; Die charakteristische Crookes-Rotation ist das Ergebnis eines partiellen Vakuums. Dies sollte nicht mit dem Nichols-Radiometer verwechselt werden, bei dem die (leichte) Bewegung, die durch das Drehmoment verursacht wird (obwohl nicht für eine vollständige Rotation gegen Reibung ausreichend ist) direkt durch leichten Druck verursacht wird. Als Folge des Lichtdrucks sagte Einstein 1909 die Existenz von „Strahlungsreibung“ voraus, die der Bewegung der Materie entgegenwirken würde. Er schrieb: „Strahlung wird Druck auf beide Seiten der Platte ausüben. Die Druckkräfte, die auf die beiden Seiten ausgeübt werden, sind gleich, wenn die Platte in Ruhe ist. Wenn es jedoch in Bewegung ist, wird mehr Strahlung auf der Oberfläche reflektiert, die während der Bewegung voraus ist (Vorderseite) als auf der Rückseite. Die rückwirkende Druckkraft, die auf die vordere Fläche ausgeübt wird, ist somit größer als die auf den Rücken wirkende Druckkraft. Als Resultierende der beiden Kräfte bleibt also eine Kraft, die der Bewegung der Platte entgegenwirkt und mit der Geschwindigkeit der Platte zunimmt. Wir werden diese resultierende „Strahlungsreibung“ kurz nennen. “

Historische Theorien über Licht, in chronologischer Reihenfolge
Im fünften Jahrhundert v. Chr. Postulierte Empedokles, dass alles aus vier Elementen zusammengesetzt sei; Feuer, Luft, Erde und Wasser. Er glaubte, dass Aphrodite das menschliche Auge aus den vier Elementen machte und dass sie das Feuer in dem Auge anzündete, das aus dem Auge hervorlugte, was das Sehen möglich machte. Wenn das wahr wäre, dann könnte man während der Nacht genauso gut sehen wie während des Tages, also postulierte Empedocles eine Wechselwirkung zwischen den Strahlen der Augen und den Strahlen einer Quelle wie der Sonne.

In etwa 300 vor Christus, Euklid schrieb Optica, in dem er die Eigenschaften von Licht studierte. Euklid postulierte, dass Licht in geraden Linien reiste und beschrieb die Gesetze der Reflexion und studierte sie mathematisch. Er stellte in Frage, dass das Sehen das Ergebnis eines Lichtstrahls vom Auge ist, denn er fragt, wie man die Sterne sofort sieht, wenn man seine Augen schließt und sie dann nachts öffnet. Wenn der Strahl vom Auge unendlich schnell bewegt wird, ist dies kein Problem.

Im Jahr 55 v. Chr. Schrieb Lucretius, ein Römer, der die Ideen früherer griechischer Atomisten weiterführte: „Das Licht und die Wärme der Sonne; diese bestehen aus winzigen Atomen, die, wenn sie weggeschoben werden, beim Schießen keine Zeit verlieren der Zwischenraum der Luft in der Richtung, die durch den Schub vermittelt wird. “ (Von der Natur des Universums). Trotz der Ähnlichkeit mit späteren Partikeltheorien wurden Lucretius Ansichten nicht allgemein akzeptiert. Ptolemäus (c. 2. Jahrhundert) schrieb in seinem Buch Optik über die Lichtbrechung.

Klassisch Indien
Im Alten Indien , die Hindu-Schulen von Samkhya und Vaisheshika, von ungefähr den frühen Jahrhunderten AD entwickelt Theorien über Licht. Laut der Samkhya-Schule ist Licht eines der fünf grundlegenden „subtilen“ Elemente (Tanmatra), aus denen die groben Elemente hervorgehen. Die Atomizität dieser Elemente wird nicht speziell erwähnt und es scheint, dass sie tatsächlich als kontinuierlich betrachtet wurden. Auf der anderen Seite gibt die Vaisheshika-Schule eine atomare Theorie der physikalischen Welt auf dem nicht-atomaren Grund von Äther, Raum und Zeit. (Siehe indischer Atomismus.) Die grundlegenden Atome sind jene der Erde (Prthivi), des Wassers (Pani), des Feuers (Agni) und der Luft (Vayu). Lichtstrahlen werden als ein Strom hoher Geschwindigkeit von Tejas (Feuer) Atomen angesehen. Je nach Geschwindigkeit und Anordnung der Tejasatome können die Lichtteilchen unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Das Vishnu Purana bezieht sich auf Sonnenlicht als „die sieben Strahlen der Sonne“.

Die indischen Buddhisten, wie Dignāga im 5. Jahrhundert und Dharmakirti im 7. Jahrhundert, entwickelten eine Art von Atomismus, der eine Philosophie der Realität ist, die sich aus atomaren Entitäten zusammensetzt, die momentane Licht- oder Energieblitze sind. Sie betrachteten Licht als eine der Energie äquivalente Atomeinheit.

Descartes
René Descartes (1596-1650) hielt das Licht für eine mechanische Eigenschaft des leuchtenden Körpers und lehnte die „Formen“ von Ibn al-Haytham und Witelo sowie die „Spezies“ von Bacon, Grosseteste und Kepler ab. 1637 veröffentlichte er eine Theorie der Lichtbrechung, die fälschlicherweise annahm, dass Licht in einem dichteren Medium schneller wandere als in einem weniger dichten Medium. Descartes kam zu diesem Schluss in Analogie zum Verhalten von Schallwellen. Obwohl Descartes bezüglich der relativen Geschwindigkeiten nicht korrekt war, nahm er zu Recht an, dass Licht sich wie eine Welle verhielt und dass die Refraktion durch die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien erklärt werden könnte.

Descartes ist nicht der erste, der die mechanischen Analogien verwendet, sondern weil er klar behauptet, dass Licht nur eine mechanische Eigenschaft des leuchtenden Körpers und des übertragenden Mediums ist, wird Descartes ‚Lichttheorie als der Beginn der modernen physikalischen Optik angesehen.

Partikeltheorie
Pierre Gassendi (1592-1655), ein Atomist, schlug eine Partikeltheorie des Lichts vor, die posthum in den 1660er Jahren veröffentlicht wurde. Isaac Newton studierte in frühem Alter Gassendis Arbeit und bevorzugte seine Ansicht der Theorie des Plenums von Descartes. Er stellte in seiner Lichthypothese von 1675 fest, dass das Licht aus Korpuskeln (Teilchen der Materie) besteht, die aus einer Quelle in alle Richtungen emittiert wurden. Einer von Newton Die Argumente gegen die Wellennatur des Lichts waren, dass Wellen dafür bekannt waren, sich um Hindernisse herum zu beugen, während Licht nur in geraden Linien verlief. Er erklärte jedoch das Phänomen der Beugung des Lichts (das von Francesco Grimaldi beobachtet wurde), indem er erlaubte, dass ein Lichtteilchen eine lokalisierte Welle im Äther erzeugen konnte.

Newton Die Theorie könnte verwendet werden, um die Reflexion von Licht vorherzusagen, aber könnte die Refraktion nur erklären, indem sie fälschlicherweise annimmt, dass Licht beim Eintritt in ein dichteres Medium beschleunigt wird, weil die Anziehungskraft größer ist. Newton veröffentlichte die endgültige Version seiner Theorie in seinen Opticks von 1704. Sein Ruf half der Partikeltheorie des Lichts während des 18. Jahrhunderts. Die Partikeltheorie des Lichts führte Laplace zu argumentieren, dass ein Körper so massiv sein könnte, dass das Licht nicht davon entkommen könnte. Mit anderen Worten, es würde ein sogenanntes schwarzes Loch werden. Laplace zog seinen Vorschlag später zurück, nachdem sich eine Wellentheorie des Lichts als das Modell für Licht fest etabliert hatte (wie erklärt wurde, ist weder eine Teilchen- noch Wellentheorie völlig richtig). Eine Übersetzung von Newton Sein Essay über Licht erscheint in der großräumigen Struktur der Raumzeit von Stephen Hawking und George FR Ellis.

Die Tatsache, dass Licht polarisiert werden konnte, wurde erstmals qualitativ erklärt Newton mit der Partikeltheorie. Étienne-Louis Malus schuf 1810 eine mathematische Partikeltheorie der Polarisation. Jean-Baptiste Biot im Jahre 1812 zeigte, dass diese Theorie alle bekannten Phänomene der Lichtpolarisation erklärte. Zu dieser Zeit galt die Polarisation als Beweis für die Partikeltheorie.

Wellentheorie
Um den Ursprung der Farben zu erklären, entwickelte Robert Hooke (1635-1703) eine „Pulsentheorie“ und verglich in seiner 1665 erschienenen Arbeit Micrographia („Beobachtung IX“) die Ausbreitung von Licht mit der von Wellen im Wasser. Im Jahr 1672 schlug Hooke vor, dass Lichtschwingungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung sein könnten. Christiaan Huygens (1629-1695) arbeitete 1678 eine mathematische Wellentheorie des Lichts aus und veröffentlichte sie 1690 in seiner Abhandlung über das Licht. Er schlug vor, dass Licht in allen Richtungen als eine Reihe von Wellen in einem Medium, dem Luminiferen-Äther, ausgestrahlt werde . Da die Wellen nicht von der Schwerkraft beeinflusst werden, wurde angenommen, dass sie beim Eintritt in ein dichteres Medium langsamer werden.

Christiaan Huygens.
Die Wellentheorie sagte voraus, dass sich Lichtwellen wie Schallwellen gegenseitig stören könnten (wie um 1800 von Thomas Young bemerkt). Young zeigte anhand eines Beugungsexperiments, dass sich Licht wie Wellen verhält. Er schlug auch vor, dass verschiedene Farben durch verschiedene Wellenlängen des Lichts verursacht werden, und erklärte das Farbsehen in Form von dreifarbigen Rezeptoren im Auge. Ein weiterer Befürworter der Wellentheorie war Leonhard Euler. Er argumentierte in Nova theoria lucis et colorum (1746), dass die Beugung leichter durch eine Wellentheorie erklärt werden könne. 1816 gab André-Marie Ampère Augustin-Jean Fresnel eine Idee, dass die Polarisation von Licht durch die Wellentheorie erklärt werden kann, wenn Licht eine transversale Welle ist.

Später arbeitete Fresnel selbständig seine eigene Wellentheorie des Lichts aus und legte sie 1817 der Académie des Sciences vor. Siméon Denis Poisson ergänzte Fresnels mathematische Arbeit, um ein überzeugendes Argument zugunsten der Wellentheorie zu liefern, das zum Umstürzen beitrug Newton Korpuskulare Theorie. Im Jahr 1821 konnte Fresnel mittels mathematischer Methoden zeigen, dass die Polarisation durch die Wellentheorie des Lichts und nur dann erklärt werden kann, wenn das Licht vollständig transversal ist und keinerlei longitudinale Schwingung aufweist.

Die Schwäche der Wellentheorie war, dass Lichtwellen wie Schallwellen ein Übertragungsmedium benötigen. Die Existenz des von Huygens im Jahr 1678 vorgeschlagenen hypothetischen Stoffes, des leuchtenden Äthers, wurde im späten 19. Jahrhundert durch das Michelson-Morley-Experiment in Zweifel gezogen.

Newton Die Korpuskular-Theorie implizierte, dass Licht in einem dichteren Medium schneller fließen würde, während die Wellentheorie von Huygens und anderen das Gegenteil nahelegte. Zu diesem Zeitpunkt konnte die Lichtgeschwindigkeit nicht genau genug gemessen werden, um zu entscheiden, welche Theorie korrekt war. Der erste, der eine hinreichend genaue Messung durchführte, war Léon Foucault im Jahr 1850. Sein Ergebnis unterstützte die Wellentheorie, und die klassische Partikeltheorie wurde schließlich aufgegeben, um im 20. Jahrhundert teilweise wieder aufzutauchen.

Elektromagnetische Theorie

Ein dreidimensionales Rendering von linear polarisierten Lichtwellen, die in der Zeit eingefroren sind und die zwei oszillierenden Lichtkomponenten zeigen; ein elektrisches Feld und ein Magnetfeld senkrecht zueinander und zur Bewegungsrichtung (eine transversale Welle).
Im Jahr 1845 entdeckte Michael Faraday, dass die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht gedreht wird, wenn sich die Lichtstrahlen in Gegenwart eines transparenten Dielektrikums in Richtung des Magnetfelds bewegen, ein Effekt, der heute als Faraday-Rotation bekannt ist. Dies war der erste Beweis dafür, dass Licht mit Elektromagnetismus in Zusammenhang steht. 1846 spekulierte er, dass Licht eine Form von Störung sein könnte, die sich entlang magnetischer Feldlinien ausbreitet. Faraday schlug 1847 vor, dass Licht eine hochfrequente elektromagnetische Schwingung sei, die sich auch in Abwesenheit eines Mediums wie dem Äther ausbreiten könnte.

Faradays Arbeit inspirierte James Clerk Maxwell, elektromagnetische Strahlung und Licht zu studieren. Maxwell entdeckte, dass sich selbst ausbreitende elektromagnetische Wellen mit einer konstanten Geschwindigkeit durch den Weltraum fliegen würden, die der zuvor gemessenen Lichtgeschwindigkeit entsprach. Maxwell kam daraus zu dem Schluss, dass Licht eine Form von elektromagnetischer Strahlung sei: Dieses Ergebnis gab er erstmals 1862 in On Physical Lines of Force an. Im Jahr 1873 veröffentlichte er eine Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus, die eine vollständige mathematische Beschreibung des Verhaltens von elektrischen und magnetischen Feldern, immer noch als Maxwell-Gleichungen bekannt, enthielt. Bald darauf bestätigte Heinrich Hertz Maxwells Theorie experimentell, indem er Radiowellen im Labor erzeugte und aufspürte, und demonstrierte, dass diese Wellen sich genau wie sichtbares Licht verhielten und Eigenschaften wie Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz zeigten. Maxwells Theorie und Hertzs ​​Experimente führten direkt zur Entwicklung der modernen Radio-, Radar-, Fernseh-, elektromagnetischen Bildgebung und drahtlosen Kommunikation.

In der Quantentheorie werden Photonen als Wellenpakete der Wellen gesehen, die in der klassischen Maxwell-Theorie beschrieben werden. Die Quantentheorie wurde benötigt, um Effekte sogar mit sichtbarem Licht zu erklären, das Maxwells klassische Theorie nicht konnte (wie Spektrallinien).

Quantentheorie
Max Planck, der versuchte, die Strahlung schwarzer Körper zu erklären, legte 1900 nahe, dass, obwohl Licht eine Welle sei, diese Wellen nur in endlichen Mengen, die mit ihrer Frequenz zusammenhängen, Energie gewinnen oder verlieren könnten. Planck nannte diese „Klumpen“ der Lichtenergie „Quanten“ (von einem lateinischen Wort für „wie viel“). Im Jahr 1905 verwendete Albert Einstein die Idee der Lichtquanten, um den photoelektrischen Effekt zu erklären, und schlug vor, dass diese Lichtquanten eine „echte“ Existenz hätten. Arthur Holly Compton zeigte 1923, dass die Wellenlängenverschiebung, die bei Röntgenstrahlung mit niedriger Intensität, die von Elektronen gestreut wird (Compton-Streuung), durch eine Teilchen-Theorie von Röntgenstrahlen, aber nicht durch eine Wellentheorie erklärt werden kann. Im Jahr 1926 benannte Gilbert N. Lewis diese Lichtquantenpartikel als Photonen.

Schließlich kam die moderne Theorie der Quantenmechanik dazu, Licht (in gewissem Sinne) sowohl als Teilchen als auch als Welle und (in einem anderen Sinne) als ein Phänomen, das weder ein Teilchen noch eine Welle ist (das sind eigentlich makroskopische Phänomene, wie z als Baseball oder Ozeanwellen). Stattdessen sieht die moderne Physik Licht als etwas, das manchmal mit Mathematik beschrieben werden kann, die für eine Art von makroskopischer Metapher (Teilchen) und manchmal auch für eine andere makroskopische Metapher (Wasserwellen) geeignet ist, aber in Wirklichkeit nicht vollständig vorstellbar ist. Wie bei den Radiowellen und den Röntgenstrahlen, die an der Compton-Streuung beteiligt sind, haben Physiker festgestellt, dass sich elektromagnetische Strahlung bei niedrigeren Frequenzen tendenziell eher wie eine klassische Welle verhält, bei höheren Frequenzen eher wie ein klassisches Teilchen, aber niemals alle vollständig verliert Qualitäten des einen oder anderen. Sichtbares Licht, das einen mittleren Frequenzboden einnimmt, kann leicht in Experimenten gezeigt werden, die beschrieben werden können, indem entweder ein Wellen- oder Teilchenmodell oder manchmal beides verwendet wird.

Im Februar 2018 berichteten die Wissenschaftler zum ersten Mal über die Entdeckung einer neuen Form von Licht, bei der es sich um Polaritonen handeln könnte, die bei der Entwicklung von Quantencomputern nützlich sein könnten.