מדענים בחנו את טבע האור במשך מאות שנים. חלק מהמאפיינים פשוטים. האור נושא אנרגיה ממקום אחד למקום אחר ונע בקווים ישרים. אבל מאפיינים אחרים הם די בלתי צפוי. אורך הגל של האור הוא קטן לאין שיעור ממילימטר, כך שהתכונות הגליות של האור מתבטאות בסולם שאינו מוכר לנו. אחרי הניסויים החלוציים, החליט ניוטון שהאור מתנהג יותר כחלקיק מאשר כגל. כל אחד מהמאפיינים האלה חל על כל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית, לא רק על אור נראה אלא גם על קרינה של גלי רדיו ועד קרני רנטגן.
באדיבות pixabay
לעתים קרובות האור מתנהג כמו גל. נניח שאתה עומד ליד בריכת שחייה רגועה לחלוטין, שעל פניה צף פקק. אתה מזיז את הפקק בתנועות קלות. ניתן להבחין כי הפרעה זו גורמת להופעת גלים הנעים החוצה על פני המים. גלים אלה מספקים אנלוגיה שימושית, אך לא תיאור מושלם, של כמה מתכונות האור. למשל, בדיוק כמו גלי מים האור מתפשט לכל הכיוונים ממקור-האור. שניהם גלי אור וגלי מים יכולים לשנות את כיוונם כשהם עוברים פינות. אם בבריכה יש פינה או קיר הבולט פנימה, ניתן לראות כי גל מתכופף קלות כאשר הוא חולף מעבר לפינה. האור מתנהג בצורה דומה. תכונה של אור לשנות את כיוונו מעט כשהוא עובר סמוך למחסום נקראת עקיפה. עבור האסטרונומים, העקיפה מגבילה את חדות התמונה שנוצרת בטלסקופ. האור העובר דרך סדק אינו יוצר תמונה מושלמת של הסדק; חלק מן האור פונה לשני הצדדים.
גל מים נושא אנרגיה מנקודה לנקודה במהירות מסוימת. אבל שימו לב כי לא כל גוף המים נע עם הגל – המים בכל מקום רק נעים מעלה ומטה. לדוגמה, הגולשים יכולים לרכוב על אנרגיה בגל, אבל לא אותם המים לא נושאים את הגולשים מההתחלה ועד סוף הגלישה. בדיוק באותה דרך ניתן לשדר אנרגיה באמצעות גל טלטול קצה של החבל מתוח. נבחן דוגמה נוספת. הקול אף הוא תופעה גלית של דחיסת אוויר הנע ממקום למקום. אבל מולקולות האוויר עצמן אינן מתקדמות, הן רק רוטטות או מתנדנדות במקום אחד. הדבר דומה להחזקה של קצה קפיץ סלינקי מתוח ודחיפתו במהירות, התוצאה היא תנועה של פולס מקצה אחד למשנהו. דוגמאות אלה ממחישות תכונה חשובה של גלים: האנרגיה נגרמת על ידי הפרעה בתווך, אבל התווך עצמו אינו נע. במקרה של גלים אלקטרומגנטיים אין צורך אפילו בתווך. גלי אור נעים דרך החלל הריק, כך ששום דבר לא נושא אותם!
לאור יש תכונה נוספת האופיינית לגלים. אם יש לנו שני מקורות של גלים, הגלים יכולים "להתחבר" יחד. תארו לעצמכם שני גלים בעלי אותו אורך גל. אם הפסגות והשפל של כל גל מתחברים, התוצאה היא גל בעל משרעת כפולה (ועוצמה הגדולה פי ארבעה). לחלופין, אם פסגותיו של גל אחד מתחברות עם השפל של הגל השני, לגל המשותף אין משרעות ועוצמתו שווה לאפס בכל מקום. אם הגלים נמצאים בחפיפה חלקית, התוצאה היא עוצמת ביניים. ניתן לראות התאבכות בגלי מים כאשר שני מקורות של גלים נמצאים סמוך אחד לשני.
באדיבות וויקיפדיה
תומאס יאנג הדגים תכונה זו של אור לפני כמאתיים שנים עם גילוי התאבכות באור. בניסוי שלו, אור שהגיע למסך משני מקורות קטנים הסמוכים אחד לשני יצר תבנית של פסים בהירים כהים. ניתן לחשוב על זה כעל "חשבון גלים". משרעת חיובית של גל נמצאת מעל הממוצע, ומשרעת שלילית נמצאת מתחת לממוצע. בניסוי של יאנג, ישנם כיוונים שבהם משרעת חיובית ממקור אחד מתחברת עם משרעת שלילית מן המקור השני וכך נעלמים הגלים: נוצר פס כהה. קיימים גם כיוונים בהם שתי משרעות חיוביות של שני מקורות מתחברות והתוצאה היא: פס בהיר.
לקרינה אלקטרומגנטית יש גם מאפיינים שאינם מתוארים היטב במונחים של גל. לדוגמה, כאשר האור פוגע מפני מתכת, חלק מהאנרגיה של האור נבלע במתכת. אנרגיה זו יכולה לשחרר אלקטרונים. אור בעל ארוך-גל גדול יותר משחרר אלקטרונים באנרגיה נמוכה יותר. כאשר אור בעל אורך גל עובר ערך מסוים, האלקטרונים אינם משוחררים מפני השטח של המתכת, לא משנה תהיה עוצמת הקרינה. האור במקרה זה פועל כמו זרם של כדורים זעירים, ואם לאף אחד מהכדורים אין אנרגיה מינימלית מסוימת, לא ניתן לשחרר אלקטרונים. התופעה נקראת האפקט הפוטואלקטרי. אלברט איינשטיין זכה בפרס נובל על גילוי אפקט זה, עוד לפני שהתפרסמה עבודתו המאוחרת והידועה יותר על תורת היחסות.
באדיבות וויקיפדיה
תיאור החלקיקים מועיל יותר כאשר אנו חושבים על תנועת האור בחלל. אם האור הוא גל, את מה "מרעיד" הגל? קל לחשוב על אור כזרם של כדורים זעירים החולפים דרך היקום. מדענים משתמשים בתיאור זה כל הזמן; חלקיקי האור נקראים פוטונים. עם זאת, בדיוק כפי שיש מצבים שבהם תיאור הגל נראה בלתי הולם, קיימים גם מצבים שבהם תיאור החלקיקים אינו הולם. בואו נדמיין את הניסוי של יאנג האם האור מתנהג כזרם של חלקיקים? הפוטונים היו נפלטים משני המקורות הסמוכים זה לזה ומתפזרים בצורה אחידה כמעט לכל כיוון. בתרחיש זה, התאורה הייתה צריכה להיות אחידה ללא פסים בהירים וכהים. לעומת זאת "חשבון חיבור הגלים" מוביל להסבר טבעי של תופעת ההתאבכות. לא ניתן לפרש התאבכות באמצעות "חשבון חלקיקים", אין שום דרך שבה שני חלקיקים יכולים להצטרף לחלקיקי גדול או לבטל זה את זה!
מהו אור: גל או חלקיק? נבחן לדוגמה פרד. יש בו כמה מאפיינים של סוס וכמה תכונות המזכירות חמור, אבל הוא אינו סוס וגם לא חמור. באופן דומה, לאור יש כמה תכונות המזכירות התנהגות גלית וכמה תכונות המזכירות התנהגות חלקיקית, אבל זה אינו גל טהור ולא חלקיק טהור. אולי הבעיה היא הצורך שלנו לסווג את הטבע של האור לקטגוריות שאנחנו יכולים לדמיין בקלות בחיי היומיום. אנחנו חייבים לקבל את העובדה שהאור מפגין "אישיות כפולה". בהתחשב בפרטים מיקרוסקופיים, האור הוא תופעה לא מוכרת לחלוטין במושגים האנלוגיים לחיי היומיום שלנו. האמת הזאת מוצגת לעתים קרובות בעולם המיקרוסקופי של האטום, שבו התנהגות האור מתוארת היטב באמצעות חוקים פיסיקליים ומתמטיים, אך אינה נתפסת בקלות על ידי האינטואיציה.
Author: Chris Impey