Skip to Content

Scientific Associate of

icsu

ICO Awards

Affiliated Commission of

Ի՞նչ է լույսը

 

 

Ի՞նչ է լույսը  

Բերրի Ռ. Մասթերս

Շատ հասարակ. թո′ղ լինի լույս: Եվ մինչ այժմ այնքան խճճված: Իսկապես, ի՞նչ է լույսը:


Reading list of suggested references

Եվ Աստված ասաց. <<Եղիցի′ լույս >>: Եվ լույս եղավ:

Ծննդոց 1:1-5

 Կյանքիս մնացած հատվածում ես կխորհեմ , թե ինչ է լույսը:

Ալբերտ Այնշթայն 1917

 Գիտակից մտորումների ամբողջ 50 տարիները չմոտեցրին այն հարցի պատասխանին, թե «Ի՞նչ է լույսի քվանտը»: Իհարկե, այսօր ամեն մի ինքնակոչ կարծում է, թե գիտի պատասխանը, բայց նա խաբում է ինքն իրեն:

Ալբերտ Այնշթայն, 1951

photo

Հյուսիսափայլ, Kshitijr96-ից (սեփական աշխատանք) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], Wikimedia Commons.

photo

Աչքը ֆոտոնների գրանցիչ է: Woodwalker-ից (սեփական աշխատանք) [CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], Wikimedia Commons.

Լույսը կյանքի նախապայմանն է, քանի որ այն հանդիսանում է մեր սննդի, էներգիայի հիմնական աղբյուրը:

Լույսը հանդիսանում է կրոնի, պատմությունների, պոեզիայի, գրականության, լեզվի, արվեստի անբաժանելի մասը: Լույսը մթնոլորտի գեղեցկությունն է արեւածագի եւ մայրամուտի, ծիածանի, հյուսիսափայլերի եւ հարավային բեւեռափայլերի տեսքով: Լույսը` տեսնելու նախապայմանն է: Իրականում, լույսի եւ տեսողության մասին տեսությունները միաձուլված են դեռեւս հույն եւ արաբ փիլիսոփաների աշխատություններում: Տեսողության համար անհրաժեշտ են լույս եւ այնպիսի օպտիկական սարքեր, ինչպիսիք են` օպտիկական ակնոցները, կոնտակտային ոսպնյակները: Լազերային ռեֆրակցիոն վիրաբուժության միջոցով հնարավոր է բարելավել տեսողությունը: Լույսի միջոցով կարելի է ախտորոշել եւ բուժել աչքի հիվանդություններ: Լույսը գրանցվում է ատոմների կամ մոլեկուլների հետ փոխազդեցության արդյունքում: Այս սկզբունքը գործում է մեր աչքի ցանցաթաղանթի լուսաընկալիչների եւ տեսախցիկներում գտնվող կիսահաղորդչային գրանցող էլեմենտի համար:

Գույները հարստացնում են մեր շրջակա միջավայրը, ոգեշնչում եւ ուրախացնում են մարդկանց ամենուրեք: Մեր տներում, քաղաքներում, կյանքում ավելացնում են գեղեցկություն: Արեւի, լուսնի եւ աստղերի լույսը հրաշալի եւ հետաքրքիր է Երկիր մոլորակի բոլոր բնակիչների համար: Լույսը մեր ժամանակակից կյանքի հիմքն է. նրա գեներացիան, ձեւափոխումը, փոխանցումն ու գրանցումը հանդիսանում են մեր կապի, արտադրության, բժշկության, հասարակային մշակույթի, լուսային ներկայացումների, կենսատեխնոլոգիական սարքավորումների, կրթական ծրագրերի, գիտության եւ տեխնոլոգիական զարգացման համար անհրաժեշտ լաբորատոր սարքավորումների անբաժանելի մասը:

photo

Ձախից. 1865 թվականին Լորդ Ռոսեն Բիրր ամրոցում տեղակայված հեռադիտակով (1.8մ անդրադարձնող հեռադիտակ) տեսել, ապա ձեռքով թղթի վրա նկարել է Ջրապտույտ Գալակտիկան: Կենտրոնում. 2005 թվականին NASA/ESA-ը թվային եղանակով միավորել է երկրագնդի վրա գտնվող Քիթ Փիք Ազգային Աստղադիտարանից 0.9 մետրանոց հեռադիտակով ստացված եւ տիեզերքում գտնվող Հաբլ Տիեզերական հեռադիտակով ստացված նկարները: Աջից. Գալակտիկան ինֆրակարմիր տիրույթում:

Լույսը Տիեզերքի առաջացման, աստղերում ֆոտոֆիզիկական երեւույթների, տիեզերքի մասին օրենքների ընդհանրական բնույթի մասին ինֆորմացիայի աղբյուրն է: Սպեկտրոմետրիկ սարքերի օգնությամբ լույսի միջոցով տեսական եւ փորձնական գիտելիքներ ենք ձեռք բերում ատոմների եւ մոլեկուլների մասին: Լույսը եւ նրա փոխազդեցությունը նյութի հետ հիմք հանդիսացան քվանտային մեխանիկայի առաջացման ու զարգացման համար: Լույսը գրավել է գրողների, փիլիսոփաների (մ.թ.ա. 5-րդ դարից սկսած), դերասանների, նկարիչների, գիտնականների եւ ինժեներների միտքը: Այսօր լույսը իրար է կապում աշխարհով մեկ սփռված մարդկանց, մշակույթներ եւ ազգեր: Լույսը հիացնում, գերում եւ միավորում է մեզ: Երեխաները զարմանում են, թե ինչպես է արեւի լույսը հավաքվում մի կետում խոշորացույցի օգնությամբ եւ կրակ առաջացնում: Մարդիկ զարմանում են, երբ մանրադիտակով կամ խոշորացույցով տեսնում են միկրոաշխարհը:

Պատմականորեն լույսը կարելի է ընկալել որպես ալիք, քվանտային մասնիկ կամ քվանտային դաշտ: Խճճվա՞ծ է: Այո, իսկապես «Ի՞նչ է լույսը» հարցը միշտ առաջ է բերում այլ հարց. Ինչպիսի՞ն է լույսի վարքագիծը: Ավելի բնորոշ է «Ի՞նչ է լույսը» հարցը փոխարինել «Ինչպե՞ս է լույսը տարածվում եւ փոխազդում միջավայրի հետ» հարցադրմամբ: Այս հոդվածում ես մատնանշել եմ ալիք-մասնիկ երկակիության եւ լույս-միջավայր փոխազդեցության տեսությունների սկզբնաղբյուրների մի քանի հիմնադրույթներ` վաղ 20- րդ դարից սկսած: Ես դիտարկել եմ լույսի բնույթի միջավայրի հետ փոխազդեցության մասին Ալբերտ Այնշթայնի կողմից մեր գիտակցության մեջ հիմնավորած տեսակետը: Այնշթայնի հարաբերականության տեսությունն ու նրա փորձարարական ապացույցները նրան աշխարհահռչակ դարձրեցին: Այնուամենայնիվ, նրա գաղափարախոսությունները օպտիկայի բնագավառում փոխեցին ինչպես մեր պատկերացումները լույսի մասին, այպես էլ մեր հնարավորությունները, օգտագործելու լույսը բազմապիսի ոլորտներում, ինչպիսիք են օրինակ` բժշկությունը, հեռահաղորդակցությունը, ֆոտոնիկան եւ ֆունդամենտալ ֆիզիկայի փորձարարական հետազոտությունները` Բոզե-Այնշթայնի կոնդենսատորներով: Ստիպողական ճառագայթման մասին Այնշթայնի աշխատանքները հանգեցրին լազերի զարգացմանը, որը ձեւափոխում է մեր աշխարհը: Այնշթայնի աշխատություններում կան եւ′ Լուի դը Բրոյլի, եւ′ Էրվին Շրյոդինգերի ազդեցությունները, ինչը հանգեցրեց «ալիքային մեխանիկայի» առաջացմանը: Այնշթայնը կամուրջ հաստատեց տարածության մեջ լույսի տարածման եւ ճառագայթ-միջավայր փոխազդեցության միջեւ: 1905-1916թթ. Այնշթայնը մեկնաբանեց լույսի եւ նյութերի միջեւ փոխազդեցությունը` լույսի քվանտների կլանման եւ ճառագայթման միջոցով, այդպիսով բացատրություն տալով մի քանի ֆիզիկական երեւույթների, ինչպիսիք են` Ստոքսի օրենքը Ֆլորեսցենցիայի համար, ուլտրամանուշակագույն լույսի օգնությամբ գազերի իոնացումը եւ ֆոտոէֆեկտը: Ֆոտոէֆեկտի ժամանակ սահմանային հաճախությամբ ճառագայթումը ընկնում է մետաղական մակերեւույթի վրա եւ պոկում էլեկտրոններ: Այս սկզբունքով են աշխատում լույսի գրանցիչները, օրինակ` ֆոտոբազմապատկիչ խողովակը: Հարկադրական եւ սպոնտան Ճառագայթումների համար Այնշթայնի տեսությունները ընկած են լազերի աշխատանքի հիմքում:

Լույս-միջավայր փոխազդեցության վաղ փորձարարական ուսումնասիրությունները

Հետաքրքիր եւ ուսուցողական է իմանալ, թե Այնշթայնից առաջ էլ ով է զբաղվել լույս- միջավայր փոխազդեցությամբ: 1887 թվականին Հայնրիխ Հերցը, ով գեներացրել, գրանցել եւ բնութագրել էր էլեկտրամագնիսական ալիքների տարածումը, նկատել էր, որ երբ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթները ընկնում են նրա կայծային ռեզոնատորների վրա, մեծանում է կայծ տալու ունակությունը: Նրա օգնական Վիլհելմ Հալվակսը հաստատեց եւ ընդլայնեց այդ դիտարկումները 1888 թվականին, երբ ցույց տվեց, որ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթները պատճառ են հանդիսանում բնական մետաղներից դրական լիցք պոկելու համար: 1899 թվականին Ջոզեֆ Ջ. Թոմսոնը ուսումնասիրեց Կրոկսի խողովակում գտնվող մետաղական թիթեղից առաջացած մասնիկների (էլեկտրոնների) վրա ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման երեւույթը: Թոմսոնը չափեց թիթեղի լարումը ճառագայթման հաճախության եւ ինտենսիվության աճին զուգահեռ: Իր հոդվածում նա առաջին անգամ խոսեց այն մասին, որ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթումը առաջացնում է ֆոտոէֆեկտ` էլեկտրոնների ճառագայթման արդյունքնում: 1902 թվականին Ֆիլիպ Լենարդը, ով աշխատում էր Կիելի համալսարանում, ցույց տվեց, որ լամպի ածխածնային պարույրից ճառագայթվող կարճ ալիքները, ընկնելով մետաղական մակերեւույթի վրա, առաջացնում են էլեկտրոնների ճառագայթում: Դուրս պոկված էլեկտրոնների թիվը, բայց ոչ կինետիկ էներգիան, աճում է լույսի ինտենսիվության աճին զուգահեռ, եւ ճառագայթման որոշակի բնորոշ հաճախությունից փոքր հաճախություններով էլեկտրոններ չեն ճառագայթվում: Լենարդը եւս նկատել էր, որ ճառագայթված էլեկտրոնների առավելագույն կինետիկ էներգիան կախված է ոչ թե ընկնող ճառագայթների ինտենսիվությունից, այլ հաճախության աճից: Նա չափեց ալյումինե թիթեղից էլեկտրոնների ճառագայթման երեւույթը երեք տարբեր հաճախությամբ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթների անկման դեպքում:

Այնշթայնի լույսի քվանտը

I1905 թվականին Այնշթայնը հրատարակեց բեկումնային հոդված «Լույսի առաջացման եւ փոխակերպման շուրջ էվրիստիկական մի տեսակետի մասին», որտեղ Բոլցմանի վիճակագրական թերմոդինամիկայից դուրս բերեց, որ Վինի բաշխման օրենքով նկարագրվող ճառագայթման էնտրոպիան ունի նույն տեսքը, ինչ որ տարրական մասնիկներից կազմված գազի էնտրոպիան կամ էներգիայի քվանտը` համապատասխան ալիքի հաճախությանը հարաբերական քվանտով: Այնշթայնը գրել է. «Փոքր խտություններով մոնոքրոմատիկ ճառագայթումը (Վինի սեւ մարմնի ճառագայթման բանաձեւի կիրառելիության տիրույթում`  / kT <<1]) թերմոդինամիկական տեսանկյունից իրեն պահում է այնպես, կարծես կազմված է hν արժեքով իրարից անկախ ճառագայթման քվանտներից», որտեղ h–ը Պլանկի հաստատունն է, k-ն` Բոլցմանի հաստատունը, T-ն` ջերմաստիճանն ըստ Կելվինի սանդղակի, եւ ν-ն` լույսի հաճախությունը: Այնուհետեւ. «Երբ լույսի ալիքը տարածվում է կետային աղբյուրից, էներգիան չի բաշխվում անընդհատորեն ամբողջ ծավալով, այլ կազմված է սահմանափակ թվով էներգիայի քվանտներից (բաժիններից), որոնք կենտրոնացված են տարածության որոշակի կետերում, տեղաշարժվում են առանց բաժանման եւ կարող են կլանվել եւ ճառագայթվել միայն ամբողջական բաժիններով»: Այնշթայնը այլընտրանքային եղանակով օգտագործել է էներգիայի քվանտ եւ լույսի քվանտ արտահայտությունները: Ճառագայթման տարածման ընթացքում էներգիայի ընդհատության մասին այս գաղափարը հակասում էր Մաքսվելի էլեկտրամագնիսական ալիքների անընդհատ ալիքային տեսությանը: Տասը տարի անց` 1916 թվականին, իր «Ճառագայթման կլանումն ու ճառագայթումը քվանտային տեսությունում» հոդվածում Այնշթայնը քննարկեց լույսի քվանտի p=hν/c իմպուլսը եւ զրո հանգստի զանգվածը: Տե′ս Deutsche Physikalische Gesellschaft. Verhandlungen 18, 318:

Ֆոտոն

Ամերիկացի ֆիզիկոզ-քիմիկոս Հիլբերտ Ն. Լուիսը 1926 թվականին Nature ամսագրում տպագրված իր հոդվածում ներմուծեց ֆոտոն գաղափարը: «Կարծես սխալ է խոսել այս ենթադրական սուբյեկտի մասին` որպես լույսի մասնիկ կամ լույսի քվանտ, եթե մենք համարում ենք, որ այն ծախսում է իր գոյության միայն աննշան հատվածը, ճառագայթված էներգիան տեղափոխելու համար, մինչդեռ գոյության մնացած հատվածն անց է կացնում ատոմի ներսում` որպես կարեւորագույն կառուցվածքային տարր: Այդ պատճառով ես ինձ իրավունք եմ վերապահում այդ ենթադրական նոր ատոմին, որը լույս չէ, սակայն կարեւորագույն դեր ունի ճառագայթման բոլոր երեւույթներում, անվանել ֆոտոն»: Այն բանից հետո, երբ 1926 թվականին Լուիսը առաջարկեց «ֆոտոն» տերմինը, շատ ֆիզիկոսներ ընդունեցին այն որպես Այնշթայնի լույսի քվանտի անվանում: Այնուամենայնիվ Լուիսի եւ Այնշթայնի գաղափարախոսությունները ֆոտոնի վերաբերյալ արմատապես տարբեր էին: Ինչպես բացահայտել էր Հ. Քրագը, ֆոտոն անվանումը մինչեւ 1926 թվականը առաջարկվել էր առնվազն չորս գիտնականների կողմից: Լուիսի ֆոտոնի միակ առավելությունը, որ պահպանվեց` անվանումն է: Հետագա պատմական հասկացությաունները գտնվեցին Լեմբի 1995 թվականի «Հակաֆոտոն» հոդվածում:

Այնշթայնի լույսի քվանտային հիպոթեզը բացատրեց ֆոտոէֆեկտի երեւույթը

photo

Ալբերտ Այնշթայնը 1921 թվականին Ֆ. Շմուտզերի կողմից [public domain] Wikimedia Commons :

Այնշթայնը կիրառեց լույսի քվանտի իր գաղափարախոսությունը, ֆոտոէֆեկտի երեւույթը բացատրելու համար, ինչը Մաքսվելի ալիքային տեսությունը չէր կարող բացատրել: Այնշթայնը գրել է. «Եթե մոնոքրոմատիկ ճառագայթը իրեն պահի այնպես, կարծես ճառագայթը տարածվում է դիսկրետ միջավայրում, որը կազմված է hν մեծությամբ էներգիայի քվանտներից, ապա խելամիտ է թվում առաջ բերել օրենքներ լույսի առաջացման եւ ճառագայթման մասին, որտեղ կհամարենք, որ լույսը եւս կազմված է նույնպիսի էներգիայի քվանտներից»: Այնշթայնը ենթադրեց, որ լույսը փոխազդում է միջավայրի հետ իր մեջ գտնվող լույսի քվանտների ճառագայթման կամ կլանման հաշվին, եւ նա առաջարկեց անբացատրելի երեւույթի նոր մեխանիզմ: Ֆոտոէֆեկտի իր տեսությունը նա բացատրեց հետեւյալ կերպ: Լույսի քվանտը անցնելով նյութի մակերեւույթային շերտի մեջ` փոխակերպում է իր էներգիան էլեկտրոնների կինետիկ էներգիայի. լույսի քվանտը փոխակերպում է իր մուտքի էներգիան մեկ էլեկտրոնի: Նա գրել է. «Էլեկտրոնը մարմնի ներսում կկորցնի կինետիկ էներգիայի մի մասը, մինչեւ մակերեւույթին հասնելը»: Ի հավելումն նա գրել է, որ էլեկտրոնը մետաղի մակերեւույթին պետք է կատարի յուրաքանչյուր մետաղին բնորոշ ելքի V աշխատանք, հաղթահարելու մետաղի մակերեւույթին առկա ձգողության ուժերը եւ պոկվելու մետաղի մակերեւույթից: Այդպիսի էլեկտրոնի առավելագույն կինետիկ էներգիան hν–V է: Ժամանակակից նշանակումներով eV=hν–Φ, որտեղ e-ն էլեկտրոնի լիցքն է, V-ն` կասեցման լարումը, որն անհրաժեշտ է ամենաարագ ֆոտոէլեկտրոնը կանգնեցնելու համար: Սա քվանտային տեսության առաջին հավասարումն է, որը բնութագրում է ճառագայթ-միջավայր փոխազդեցությունը: Ֆոտոէֆեկտի մասին Այնշթայնի պոստուլատները հաստատվեցին 1912 թվականին, երբ Արթուր Լ. Հյուգեսը չափեց տարբեր մետաղներից պոկված ֆոտոէլեկտրոնների առավելագույն արագությունը եւ ստուգեց ֆոտոէֆեկտի համար Այնշթայնի հավասարումը:

Ալիքային ֆիզիկայից դուրս քվանտային հիպոթեզի առաջին հաստատումը եղել է 1907 թվականին, երբ Այնշթայնը բացատրեց եւ ցույց տվեց, որ էներգիայի քվանտացումը կարելի է կիրառել նաեւ կոնդենսացված միջավայրում: Այնշթայնը բացատրեց պինդ մարմինների ջերմունակության անոմալ կախվածությունը ջերմաստիճանից (այսինքն` ջերմաստիճանի նվազման հետ ջերմունակությունը եւս նվազում է)` պինդ մարմինը համարելով որպես քվանտային օսցիլյատորներից կազմված ցանց: Այնշթայնի բանաձեւը համաձայնության մեջ է 1910 թվականին Վոլտեր Ներնսթի եւ նրա օգնական Ֆրեդերիկ Ա. Լինդեմաննի կողմից ստացված փորձարարական արդյունքների հետ:

1922 թվականին Այնշթայնին Նոբելյան մրցանակ ստացավ 1905 թվականին ֆոտոէֆեկտի վերաբերյալ հրատարակած հոդվածի համար. «Տեսական ֆիզիկայում նրա ծառայությունների եւ մասնավորապես ֆոտոէֆեկտի վերաբերյալ նրա բացահայտած օրենքի համար»: Այն ժամանակ, երբ Այնշթայնը զարգացնում էր իր քվանտային տեսությունը, աշխարհահռչակ շատ գիտնականներ, ինչպիսիք օրինակ Մաքս Պլանկը, Հենդրիք Ա. Լորենցը, Մաքս ֆոն Լաուեն, Վիլհելմ Վիենը եւ Արնոլդ Զոմմերֆելդը չէին ընդունում լույսի` նրա քվանտային տեսությունը, քանի որ նրանք մատնանշում էին լույսի ինտերֆերենցիան, որը հիմնված է ալիքային երեւույթների վրա: Ե′վ Պլանկը, եւ′ Լորենցը ընդունում էին, որ ճառագայթի փոխազդեցությունը միջավայրի հետ քվանտացված պրոցես է, բայց հերքում էին այն գաղափարը, որ լույսի առանձնացված քվանտը տարածվում է որպես ալիք: Բացառություն էր Յոհաննես Շտառկը, ով 1909 թվականին առաջ բերեց կենտրոնացված էներգիայի քվանտի գաղափարը ռենտգենյան ճառագայթներում: Նա նաեւ կողմնակից էր Այնշթայնի լույսի քվանտի հիպոթեզին: Այնշթայնն ինքը հասկացավ, որ իր հիպոթեզը կարիք ունի փորձարարական ապացույցի կամ հերքման, եւ 1911 թվականին Սոլվեյի կոնգրեսին նա հայտարարեց. «Ես պնդում եմ այս գաղափարի սկզբնական բնութագիրը (լույս-քվանտ)»: 1921 թվականին Բրյուսելում Երրորդ Սոլվեյ Կոնֆերանսի ժամանակ Մաուրիս դը Բրոյլը զեկուցեց, որ իր հետազոտություններում ռենտգենյան ճառագայթների փոխազդեցությունը միջավայի հետ եւ արդյունքում դուրս պոկված էլեկտրոնները կարող են բացատրվել, եթե ենթադրենք, որ ռենտգենյան ճառագայթները ունեն hν էներգիա: Նրա եղբայր Լուի դը Բրոյլը, կարդալով լույսի վերաբերյալ Այնշթայնի հոդվածը եւ հետեւելով նրա` լույսի քվանտի գաղափարախոսությանը, դուրս բերեց «նյութական ալիքների» իր տեսությունը: Էրվին Շրյոդինգերը կառուցեց իր «ալիքային մեխանիկան»` հիմնվելով Լուի դը Բրոյլի նախնական ենթադրությունների վրա: 

Այնշթայնի լույսի քվանտի հանդեպ թերահավությունն ու հետագայում փորձնական ապացույցըa

photo

Բոզե-Այնշթայնի կոնդեսատորներ: Ռուբիդիումի ատոմներից բաղկացած գազի արագության բաշխվածության եռաչափ գրաֆիկները հաստատում են նյութի նոր փուլի` Բոզե-Այնշթայնի կոնդեսատորների բացահայտումը: Ձախից. Բոզե- Այնշթայնի կոնդեսատորների հայտնվելուց անմիջապես առաջ: Կենտրոնում. Բոզե- Այնշթայնի կոնդեսատորների հայտնվելուց անմիջապես հետո: Աջից. հետագա գոլորշացումից հետո նմուշը մնացել է համարյա մաքուր կոնդենսատոր վիճակում: NIST/JILA/CU-Boulder (NIST նկար) [Public domain], Wikimedia Commons.

1916 թվականին Ռոբերտ Ա. Միլլիկենը, ընդլայնելուվ Լենարդի նախնական փորձերը, մեծ ճշտությամբ փորձով ապացուցեց Այնշթայնի ֆոտոէֆեկտի տեսությունը: Միլլիկենը ցույց տվեց, որ ճառագայթված էլեկտրոնների առավելագույն կինետիկ էներգիան համեմատական է հաճախությանը: Ֆոտոէմմիսիայի համար կասեցնող լարման կախվածությունը ընկնող ճառագայթների հաճախությունից նրա ստացած կորերը համապատասխանում են Այնշթայնի կանխատեսած գծային կախմանը, եւ տարբեր մետաղների համար h-ի արժեքը նույնն էր, ինչ որ 1901 թվականին Պլանկն էր հաշվել իր հոդվածում: Միլլիկենը նաեւ ցույց տվեց, որ ֆոտոէլեկտրոնների թիվը համեմատական է ճառագայթման ինտենսիվությանը: Այնուամենայնիվ նա հերքեց Այնշթայնի տեղայնացված լույսի քվանտների գաղափարը: Միայն 1923 թվականից հետո, երբ Արթուր Հոլլի Քոմփթոնը եւ նրանից անկախ Փիթեր Դեբայը հրատարակեցին իրենց հոդվածները էլեկտրոների կողմից ռենտգենյան ճառագայթների ցրման մասին, ինչը հիմնված էր Այնշթայնի լույսի քվանտի հիպոթեզի վրա, ֆիզիկոսների միությունը ընդունեց Այնշթայնի լույսի քվանտը:

Քոմփթոնը ուսումնասիրեց ռենտգենյան եւ γ- ճառագայթների ցրումները լույսի մասնիկների կողմից: 1923 թվականին նրա առաջարկած տեսությունը ցույց տվեց, որ ցրված քվանտի էներգիան փոքր է ընկնող քվանտի էներգիայից, եւ տարբերությունը հավասար է շեղված էլեկտրոնի կինետիկ էներգիայի աճին:

Քոմփթոնը գրեց ընկնող եւցրվող ճառագայթների նկատմամբ θ անկյամբ ցրված ճառագայթի ալիքի երկարության աճի համար բանաձեւ: υ հաճախությամբ ռենտգենյան քվանտը ցրվում է m զանգվածով էլեկտրոնի կողմից: Համարում են, որ ցրված էլեկտրոնը գտնվում է սկզբնական դադարի վիճակում: Ճառագայթման քվանտի հետ բախումից հետո էլեկտրոնը շեղվում է: Հաշվի առնելով էներգիայի եւ իմպուլսի պահպանման օրենքները ցրման ժամանակ` նա գրեց իր ցրման հավասարումը ռենտգենյան ճառագայթի ալիքի երկարության փոփոխության համար.

photo

Քոմփթոնը ապացուցեց իր տեսությունը մի շարք համոզիչ փորձերով եւ գրեց. «Ցրումների համար տեսական եւ փորձնական արդյունքների գեղեցիկ համաձայնությունը ավելի վառ է... Չկա այնպիսի մի սահմանված հաստատուն, որը կապ կհաստատեր երկու խումբ արժեքների միջեւ»: Նա ցույց տվեց, որ ալիքի երկարության աճը անկախ է ալիքի երկարությունից: Քոմփթոնը հետագայում եզրակացրեց. «Ռենտգենյան ճառագայթների ցրումը քվանտային երեւույթ է»: Ինչպես նաեւ, «...տեսությունը շատ համոզիչ ապացուցում է, որ ճառագայթման քվանտը իր հետ կրում է ուղղորդված իմպուլս եւ էներգիա»:

Ալիք-մասնիկ երկակիության Այնշթայնի տեսությունը

Ալիք-մասնիկ երկակիության ակունքները գտնվում են էներգիայի շեղման մասին 1909 թվականին Այնշթայնի «Ճառագայթման խնդրի ներկայիս կարգավիճակը» հաշվետվության մեջ: Այնշթայնը հաշվեց բրոունյան շարժման ժամանակ (1905թ) էներգիայի եւ իմպուլսի շեղումները եւ նա կիրառեց այս անալիտիկ եղանակը սեւ մարմնի ճառագայթումը ուսումնասիրելիս: Նա ընդհանրացերեց, 1905 թվականին ձեւակերպած, մեխանիկական համակարգերում (բրոունյան մասնիկներ) շեղումների տեսությունը ոչ-մեխանիկական սեւ մարմնի ճառագայթման համար: Այնշթայնը հայտնաբերեց սեւ մարմնի ճառագայթման էներգիայի շեղումները, որը գտնվում էր T ջերմաստիճանով եւ V ծավալով իզոթերմ խոռոչում: Օգտվելով Պլանկի սեւ մարմնի էներգիայի բաշխվածության օրենքից` նա էներգիայի շեղման համար գրեց հետեւյալ բանաձեւը`

photo

որտեղ <> փակագծերը ցույց են տալիս վիճակագրական միջինը, E-ն ճառագայթման էներգիան է ν÷ν+dν հաճախությունների տիրույթում, c-ն` վակուումում լույսի արագությունը: Այս հավասարումը հայտնի է որպես սեւ մարմնի ճառագայթման Այնշթայնի շեղման օրենք: Վիճակագրական մեխանիկական վերլուծությունից նա մեկնաբանեց, որ հավասարման աջ մասի առաջին անդամը նկարագրում է ճառագայթման քվանտային հատկությունները: Այս անդամը, որը միջին էներգիայից գծային կախում ունի, գտնվում է բարձր հաճախությունների տիրությում, որտեղ գործում է Վինի օրենքը: Այնշթայնը հաշվեց այդ ճառագայթումը, մասնավորապես` էներգիայի շեղումը, որպես անկախ մասնիկներից, այսինքն` յուրաքանչյուրը hν էներգիայով լույսի քվանտներից կազմված գազ: Փորձնական վերլուծությունից ելնելով` հավասարման աջ մասի երկրորդ անդամը, որը միջին էներգիայի քառակուսին է, նա մեկնաբանեց որպես ալիքների ինտերֆերենցիայի արդյունք: Այս պնդումը ստացվում է փոքր հաճախությունների տիրույթում: Այնշթայնը ենթադրեց, որ խոռոչի ներսում ճառագայթումը կազմված է տարբեր ամպլիտուդներով, փուլերով եւ բեւեռացումներով նորմալ մոդաներից, որոնք տարածվում են տարբեր ուղղություններով: Նա պնդում էր, որ խոռոչի ցանկացած մասնակի ծավալում շեղումները կարող են առաջանալ տարբեր հարթ ալիքների ինտերֆերենցիայի արդյունքում: 1909 թվականին Այնշթայնը գրեց. «...տեսական ֆիզիկայի հաջորդ քայլը մեզ կբերի այն տեսությանը, որ լույսը կմեկնաբանվի որպես ալիքային եւ մասնիկների ճառագայթման տեսությունների միաձուլում...»:

Ստիպողական ճառագայթման Այնշթայնի տեսությունը

Լույսի քվանտը ի հայտ բերելուց ինը տարի անց Այնշթայնը կրկին վերադարձավ լույս- միջավայր փոխազդեցության խնդրին, մասնավորապես` ատոմների էներգետիկ մակարդակների միջեւ անցումների եւ լույսի քվանտի դերի ուսումնասիրությանը այդ պրոցեսներում: 1916 թվականին նա ձեւակերպեց ստիպողական կամ հարկադրական ճառագայթման գաղափարը «Ճառագայթման կլանումն ու ճառագայթումը քվանտային տեսությունում» հոդվածում: Այս հոդվածը նշանակալից է որպես ներածություն` քվանտային տեսության հնարավոր մոտեցման համար: Այն պարունակում է նրա այսպես կոչված « A եւ B» գործակիցները եւ նրա կանխատեսումները սպոնտան եւ ստիպողական ճառագայթումների համար: Այդ ժամանակների համար ատոմի էներգետիկ մակարդակներում անցումները լույսի քվանտի կլանման եւ ճառագայթման հետեւանքով անընդունելի էին ֆիզիկոսների միության համար: Բորի ջրածնի ատոմի տեսությունը չէր ներառում ֆոտոնը. փաստացի մինչեւ վաղ 1920-ականները Բորը ժխտում էր այդ գաղափարը: Նշենք, որ Մաքս Պլանկը, ով համարվում էր քվանտային տեսության հիմնադիրը 1900 թվականին, չէր ընդունում քվանտացման գաղափարը մինչեւ 1913 թվականը, երբ Բորը քվանտացրեց ջրածնի ատոմի Էներգետիկ մակարդակները:

photo
Առաջին ռուբինային լազերը քանդած վիճակում

Այնշթայնը մեկնաբանեց, որ ճառագայթման դաշտը կարող է ատոմի էներգիայի կորուստների կամ ուժեղացման պատճառ հանդիսանալ:

Նա առաջարկեց մի երեւույթ, որը պայմանավորված է երկու` վերին եւ ստորին էներգետիկ մակարդակներով ատոմում, այդ մակարդակների էներգիաների տարբերությանը հավասար էներգիայով ֆոտոնների կլանումների կամ ճառագայթումների միջոցով իրականացվող անցումներով: Եթե ատոմը կլանի ֆոտոն, ապա նրա էներգիան կաճի ֆոտոնի էներգիայի չափով եւ այն կլինի գրգռված էներգետիկ վիճակում: Գրգռված էներգետիկ մակարդակում ատոմը կարող է սպոնտան ճառագայթել ֆոտոն եւ անցում կատարել ավելի քիչ թվով էլեկտրոններով բնակեցված կամ ամենաստորին էներգետիկ մակարդակ: Ճառագայթված ֆոտոնի էներգիան հավասար է գրգռված եւ ստորին էներգետիկ մակարդակների էներգիաների տարբերությանը: Սպոնտան ճառագայթումը կարող է տեղի ունենալ ընկնող ճառագայթման բացակայության դեպքում: Ստիպողական կամ հարկադրական ճառագայթման ժամանակ գրգռված վիճակում գտնվող ատոմը փոխազդում է էլեկտրամագնիսական դաշտի հետ, որի արդյունքում էլ գրգռված էներգետիկ մակարդակից տեղի են ունենում էլեկտրոնների անցումները ստորին էներգետիկ մակարդակ. երկու մակարդակների էներգիաների տարբերությունը փոխակերպվում է էլեկտրամագնիսական դաշտի: Այս պրոցեսի ընթացքում առաջացած ֆոտոնը ունի նույն հաճախությունը, փուլը, բեւեռացումը եւ տարածման ուղղությունը, ինչ որ ընկնող ճառագայթի պարունակած ֆոտոնը: Առաջին ռուբինային լազերը քանդած վիճակում

Այնշթայնը դիտարկեց ատոմների համախումբ` ջերմային հավասարակշռության պայմաններում: Նա ուսումնասիրեց երկու` վերին եւ ստորին էներգետիկ մակարդակներում ընթացող պրոցես, որտեղ էներգետիկ մակարդակների միջեւ անցումները տեղի են ունենում ֆոտոնների կլանումների կամ ճառագայթումների հաշվին, որոնց էներգիան հավասար է այդ երկու մակարդակների էներիգիաների տարբերությանը: Ատոմների թիվը վերին եւ ստորին մակարդակներում հաստատուն է: Ջերմային հավասարակշռության դեպքում միավոր ժամանակում կլանված եւ ճառագայթված ատոմների թիվը հավասար է: Այնուհետեւ Այնշթայնը տարբերակեց երկու տեսակի անցումները: Առաջինը` երբ ճառագայթումը տեղի է ունենում արտաքին ազդեցությունների բացակայության դեպքում: Նա կառուցեց Ռեզերֆորդի ռադիոակտիվ տրոհման օրենքի անալոգը: Ժամանակակից տերմիններով այն սպոնտան ճառագայթման երեւույթ է, որը տեղի է ունենում արտաքին ազդեցության դեպքում եւ այն բնութագրվում է Այնշթայնի A գործակցով: Արդյունքում ճառագայթված ֆոտոնը կարող է տարածվել ցանկացած ուղղությամբ: Երկրորդ տեսակի անցումները տեղի են ունենում ատոմների եւ ընկնող ճառագայթման փոխազդեցության արդյունքում: Այնշթայնը ենթադրեց, որ ընկնող ճառագայթման ազդեցությունը համեմատական է ճառագայթման խտությանը եւ պատճառ է հանդիսանում երկու մակարդակների միջեւ անցումների համար: Այնշթայնը դիտարկեց միկրոսկոպիկ հակադարձելիության սկզբունքը, ըստ որի ստորին մակարդակից վերին մակարդակ էներգիայի փոխանցման արագությունը հավասարակշռության պայմաններում հավասար է վերին մակարդակից ստորին մակարդակ էներգիայի փոխանցման արագությանը յուրաքանչյուր անցման համար: Այնշթայնը պահանջեց, որ ստիպողական ճառագայթումը տեղի ունենա այն դեպքում, երբ ատոմի էներգետիկ մակարդակները հավասարակշռության մեջ լինեն Բոլցմանի բաշխվածությամբ տրված եւ Պլանկի ճառագայթման օրենքին ենթարկվող դաշտի հետ: Եթե ստիպողական ճառագայթման համար Այնշթայնի գործակիցը հավասար լինի զրոյի, ապա հավասարակշռության վիճակում Բոլցմանի բաշխումը տեղի չի ունենա: Հավասարակշռության վիճակում էներգիայի ավելացում եւ կորուստ ունեցող ատոմների թիվը պետք է նույնը լինի: Նա եզրակացրեց, որ ստիպողական կլանման եւ ճառագայթման հավանականությունները հավասար են: Այնշթայնի գործակիցները անկախ են ճառագայթման խտությունից:

Այնշթայնը համառորեն պնդում էր, որ A եւ B գործակիցները հնարավոր կլիներ հաշվել, եթե էլեկտրոդինամիկայի եւ մեխանիկայի նոր տարբերակը լիներ հասանելի եւ համաձայնեցված քվանտային հիպոթեզի հետ (նոր քվանտային մեխանիկան): Այս կանխատեսումը իրականացվեց, երբ 1927 թվականին առաջին հոդվածում Դիրակը օգտագործեց քվանտային մեխանիկայի իր տարբերակը` Այնշթայնի B գործակիցը, իսկ երկրորդում` A գործակիցը (սպոնտան ճառագայթում) գտնելու համար:

photo

Սուպերքոնթինիումի գեներացիա ալիքատարում: Լույսի Միջազգային Տարի 2015-ի կոմիտեի նախագահ Ջ. Դուդլի

Այնշթայնի` ստիպողական ճառագայթման մասին դատողությունների փորձարարական ապացույցը եղավ Այնշթայնի տեսական կանխատեսումներից տասնամյակներ անց: Բերտոլետտին այդքան  երկար ուշացման մասին բացատրել է իր «Ինչու՞ լազերը հայտնագործվեց այդքան ուշ» ICO Newsletter, January 2010, Number 82. 1954 թվականին Գորդոնը, Զեյգերը եւ Թոունսը հայտնաբերեցին մազերը (microwave amplification by stimulated emission of radiation), որը աշխատում է միկրոալիքների տիրույթում: Եվ վերջապես, 1960 թվականին Թեոդոր Հ. Մայմանը իրականացրեց ստիպողական ճառագայթում ռուբինի բյուրեղի վրա` որպես առաջին լազերի բաղադրիչ: Ֆիզիկայի բնագավառում 1964 թվականի Նոբելյան մրցանակը բաժանվեց Չարլզ Հ. Թոունսի, Նիկոլայ Գ. Բասովի եւ Ալեքսանդր Մ. Պրոխորովի միջեւ` լազերի վրա իրենց` միմյանցից անկախ աշխատանքների համար:

Այսպիսով «Ի՞նչ է լույսը» հարցը մնաց անպատասխան: Այնշթայնը ծնունդ տվեց ֆոտոնին որպես էլեկտրամագնիսական դաշտի` ν հաճախությամբ, k ալիքային վեկտորով, hν էներգիայով եւ ħk իմպուլսով վիճակ: Այն զրո հանգստի զանգվածով մասնիկ է, որը ունի մեկ սպին եւ բեւեռացման երկու վիճակ: 1924 թվականին Այնշթայնը գրել է . «Պլանկի փորձի դրական արդյունքները ցույց տվեցին, որ ճառագայթումը իրեն դրսեւորում է այնպես, կարծես այն բաղկացած է դիսկրետ էներգիայի կրիչներից, որոնք տեղափոխում են ինչպես էներգիա, այնպես էլ իմպուլս»: Այսպիսով, այսքան տարի անց նորից եկանք ելակետին. «Ճառագայթումը... իրեն դրսեւորում է այնպես... կարծես այն բաղկացած է...»: Այս հայտարարությունը չի պատասխանում հարցին, թե «Ի՞նչ է լույսը», այլ թե «Ինչպես է իրեն դրսեւորում լույսը»: Այնուամենայնիվ մենք չունենք սկզբնական հարցի պատասխանը, եւ լույսը` օրեցօր ավելի լավ հասկանալը, մեր կյանքը գեղեցկությամբ է լցրել եւ ձեւափոխել է այն: Շնորհակալություն լույսի համար:

 

Բերրի Ռ. Մասթերս, անկախ գիտաշխատող, Մասաչուսեթս, ԱՄՆ

photo

Պորֆեսոր Բերրի Ռ. Մասթերսը ստացել է գիտությունների թեկնածուի աստիճան Վեյցմանի Գիտությունների Ինստիտուտում, Իսրայել, մագիստրոսի աստիճան` Ֆլորիդայի Պետական Համալսարանում եւ բակալավրի աստիճան` Բրուքլինի Պոլիտեխնիկական Ինստիտուտում: Պրոֆեսոր Մասթերսը եղել է հրավիրված գիտնական Մասսաչուսեթսի Տեխնոլոգիական Ինստիտուտի Կենսաբանական Ինժեներիայի ֆակուլտետում, Պատմության գծով անկախ գիտնական` Հարվարդի Համալսարանի Գիտությունների ֆակուլտետում, հրավիրված պրոֆեսոր Բեռնի Համալսարանի Ակնաբուժության ֆակուլտետում եւ Անատոմիայի եւ Բջջային Կենսաբանության գծով պրոֆեսոր Առողջապահության Գիտությունների Համալսարանի Համազգեստային Ծառայությունների բաժնում: Նա Գիտության Զարգացման Ամերիկական Միության (AAAS), Ամերիկայի Օպտիկական Միության (OSA) եւ Օպտիկայի եւ Ֆոտոնիկայի Միջազգային Միության (SPIE) անդամ է: Պրոֆեսոր Մասթերսը հրատարակել է 86 գիտական հոդված եւ գրքերի 143 գլուխ:

photo

Translated by Tatevik Chalyan

PhD student, NanoScience Laboratory (NL),

Faculty of Physics,

University of Trento, Italy


 Next articles:


International Commission for Optics

Bureau members (2014-2017):

President: Y. Arakawa;
Past-President: D. T. Moore;
Treasurer: J A Harrington;
Secretary: A M Guzmán, CREOL, The College of Optics and Photonics, University of Central Florida, PO Box 162700, 4000 Central Florida Blvd,Orlando, FL 32816-2700, USA; e-mail angela.guzman@creol.ucf.edu
Associate Secretary: G von Bally;
Vice-Presidents, elected: J. Harvey, F. Höller, H. Michinel, J. Niemela, R. Ramponi, S-H Park, J. Zakrzewski, M. Zghal
Vice-Presidents, appointed: Y. J. Ding, J. C. Howell, S. Morgan, E. Rosas, P. Urbach, A Wagué, M. J. Yzuel
IUPAP Council Representative: C Cisneros

Editor in chief:

A. M. Guzmán

Editorial committee:

K Baldwin, Australian National University, Australia;
J Dudley, Université de Franche-Comté, France;
William T Rhodes, Florida Atlantic University, USA.