Sách Vật lý/Ánh sáng/Lý thuyết ánh sáng điện từ
Năm 1845, Michael Faraday phát hiện ra rằng mặt phẳng phân cực của ánh sáng phân cực tuyến tính quay khi các tia sáng truyền dọc theo hướng từ trường với sự có mặt của chất điện môi trong suốt, một hiệu ứng ngày nay được gọi là quay Faraday. Đây là bằng chứng đầu tiên cho thấy ánh sáng có liên quan đến điện từ. Năm 1846, ông suy đoán rằng ánh sáng có thể là một dạng nhiễu loạn nào đó lan truyền dọc theo các đường sức từ. Năm 1847, Faraday đề xuất rằng ánh sáng là một dao động điện từ tần số cao, có thể lan truyền ngay cả khi không có môi trường như ête.
Công việc của Faraday đã truyền cảm hứng cho James Clerk Maxwell nghiên cứu bức xạ điện từ và ánh sáng. Maxwell phát hiện ra rằng sóng điện từ tự lan truyền sẽ truyền trong không gian với một tốc độ không đổi, tương đương với tốc độ ánh sáng đã đo được trước đó. Từ đó, Maxwell kết luận rằng ánh sáng là một dạng bức xạ điện từ: lần đầu tiên ông phát biểu kết quả này vào năm 1862 trên tạp chí On Physical Lines of Force. Năm 1873, ông xuất bản một luận thuyết về điện và từ, trong đó có một mô tả toán học đầy đủ về hoạt động của điện trường và từ trường, vẫn được gọi là phương trình Maxwell. Ngay sau đó, Heinrich Hertz đã xác nhận lý thuyết của Maxwell bằng thực nghiệm bằng cách tạo và phát hiện các sóng vô tuyến trong phòng thí nghiệm, và chứng minh rằng những sóng này hoạt động chính xác như ánh sáng nhìn thấy, thể hiện các đặc tính như phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và giao thoa. Lý thuyết của Maxwell và các thí nghiệm của Hertz đã trực tiếp dẫn đến sự phát triển của vô tuyến, radar, truyền hình, hình ảnh điện từ và truyền thông không dây hiện đại.
Trong lý thuyết lượng tử, các photon được xem như các gói sóng của các sóng được mô tả trong lý thuyết cổ điển của Maxwell. Lý thuyết lượng tử cần thiết để giải thích các hiệu ứng ngay cả với ánh sáng thị giác mà lý thuyết cổ điển của Maxwell không thể giải thích được (chẳng hạn như các vạch quang phổ).
Lý thuyết lượng tử ánh sáng sửa
Năm 1900, Max Planck, cố gắng giải thích bức xạ vật đen, cho rằng mặc dù ánh sáng là một sóng, nhưng những sóng này chỉ có thể thu được hoặc mất năng lượng với một lượng hữu hạn liên quan đến tần số của chúng. Planck gọi những "cục" năng lượng ánh sáng này là " lượng tử " (từ một từ tiếng Latinh có nghĩa là "bao nhiêu"). Năm 1905, Albert Einstein sử dụng ý tưởng về lượng tử ánh sáng để giải thích hiệu ứng quang điện, và cho rằng những lượng tử ánh sáng này có sự tồn tại "thực". Năm 1923, Arthur Holly Compton đã chỉ ra rằng sự dịch chuyển bước sóng khi tia X cường độ thấp tán xạ từ các electron (gọi là tán xạ Compton) có thể được giải thích bằng lý thuyết hạt của tia X, nhưng không phải là lý thuyết sóng. Năm 1926, Gilbert N. Lewis đặt tên cho các hạt lượng tử ánh sáng này là photon.
Cuối cùng lý thuyết hiện đại của cơ học lượng tử đã hình dung ánh sáng (theo một nghĩa nào đó) vừa là hạt vừa là sóng, và (theo một nghĩa khác), như một hiện tượng không phải là hạt cũng không phải là sóng (thực chất là các hiện tượng vĩ mô, chẳng hạn như bóng chày hoặc sóng biển). Thay vào đó, vật lý hiện đại coi ánh sáng là thứ có thể được mô tả đôi khi bằng toán học thích hợp với một kiểu ẩn dụ vĩ mô (hạt), và đôi khi là một phép ẩn dụ vĩ mô khác (sóng nước), nhưng thực sự là một thứ không thể hình dung hết được. Như trong trường hợp đối với sóng vô tuyến và tia X liên quan đến tán xạ Compton, các nhà vật lý đã lưu ý rằng bức xạ điện từ có xu hướng hoạt động giống như sóng cổ điển ở tần số thấp hơn, nhưng giống hạt cổ điển hơn ở tần số cao hơn, nhưng không bao giờ mất đi hoàn toàn. phẩm chất của cái này hay cái khác. Ánh sáng nhìn thấy, chiếm tần số trung bình, có thể dễ dàng hiển thị trong các thí nghiệm để mô tả được bằng cách sử dụng mô hình sóng hoặc hạt, hoặc đôi khi cả hai.
Vào tháng 2 năm 2018, các nhà khoa học thông báo, lần đầu tiên, việc phát hiện ra một hình thức mới của ánh sáng, có thể liên quan đến polariton, đó có thể hữu ích trong việc phát triển các máy tính lượng tử.