प्रकाश यात्रा कैसे करता है?

जब से डेमोक्रिटस - एक यूनानी दार्शनिक जो 5वीं और चौथी शताब्दी ईसा पूर्व के बीच रहता था - ने तर्क दिया कि सभी अस्तित्व छोटे अविभाज्य परमाणुओं से बना है, वैज्ञानिक प्रकाश की वास्तविक प्रकृति के बारे में अनुमान लगाते रहे हैं। जबकि वैज्ञानिकों ने इस धारणा के बीच आगे-पीछे किया कि प्रकाश आधुनिक युग तक एक कण या एक लहर था, 20 वीं शताब्दी में ऐसी सफलताएँ मिलीं जिनसे हमें पता चला कि यह दोनों के रूप में व्यवहार करती है।

इनमें इलेक्ट्रॉन की खोज, क्वांटम सिद्धांत का विकास और आइंस्टाइन के सिद्धांत शामिल थे सापेक्षता का सिद्धांत . हालांकि, प्रकाश के बारे में कई अनुत्तरित प्रश्न बने हुए हैं, जिनमें से कई इसकी दोहरी प्रकृति से उत्पन्न होते हैं। उदाहरण के लिए, यह कैसे है कि प्रकाश स्पष्ट रूप से बिना द्रव्यमान के हो सकता है, लेकिन फिर भी एक कण के रूप में व्यवहार करता है? और यह कैसे एक लहर की तरह व्यवहार कर सकता है और एक निर्वात से गुजर सकता है, जब अन्य सभी तरंगों को फैलने के लिए एक माध्यम की आवश्यकता होती है?

19वीं शताब्दी तक प्रकाश का सिद्धांत:

वैज्ञानिक क्रांति के दौरान, वैज्ञानिकों ने अरिस्टोटेलियन वैज्ञानिक सिद्धांतों से दूर जाना शुरू कर दिया, जिन्हें सदियों से स्वीकृत सिद्धांत के रूप में देखा गया था। इसमें अरस्तू के प्रकाश के सिद्धांत को खारिज करना शामिल था, जो इसे हवा में अशांति के रूप में देखता था (उनके चार 'तत्वों' में से एक जो पदार्थ की रचना करता था), और अधिक यंत्रवत दृष्टिकोण को अपनाना था कि प्रकाश अविभाज्य परमाणुओं से बना था।

कई मायनों में, इस सिद्धांत का पूर्वावलोकन शास्त्रीय पुरातनता के परमाणुवादियों द्वारा किया गया था - जैसे कि डेमोक्रिटस और ल्यूक्रेटियस - दोनों ने प्रकाश को सूर्य द्वारा छोड़े गए पदार्थ की एक इकाई के रूप में देखा। 17वीं शताब्दी तक, कई वैज्ञानिक सामने आए जिन्होंने इस दृष्टिकोण को स्वीकार करते हुए कहा कि प्रकाश असतत कणों (या 'कॉर्पसकल') से बना है। इसमें पियरे गैसेंडी, रेने डेसकार्टेस के समकालीन, थॉमस हॉब्स, रॉबर्ट बॉयल और सबसे प्रसिद्ध शामिल थे, सर आइजैक न्यूटन .

न्यूटन के ऑप्टिक्स का पहला संस्करण: या, प्रतिबिंब, अपवर्तन, विवर्तन और प्रकाश के रंगों का एक ग्रंथ (1704)। क्रेडिट: पब्लिक डोमेन।

न्यूटन का कणिका सिद्धांत, बलों के माध्यम से भौतिक बिंदुओं की परस्पर क्रिया के रूप में वास्तविकता के उनके दृष्टिकोण का विस्तार था। यह सिद्धांत 100 से अधिक वर्षों तक स्वीकृत वैज्ञानिक दृष्टिकोण बना रहेगा, जिसके सिद्धांतों को उनके 1704 के ग्रंथ में समझाया गया था। प्रकाशिकी, या, प्रतिबिंब, अपवर्तन, विभक्ति और प्रकाश के रंगों का एक ग्रंथ '. न्यूटन के अनुसार, प्रकाश के सिद्धांतों को निम्नानुसार संक्षेपित किया जा सकता है:

• प्रकाश का प्रत्येक स्रोत स्रोत के आस-पास के माध्यम में बड़ी संख्या में छोटे कणों का उत्सर्जन करता है जिन्हें कणिका कहा जाता है।
• ये कणिकाएँ पूरी तरह लोचदार, कठोर और भारहीन होती हैं।

यह 'लहर सिद्धांत' के लिए एक चुनौती का प्रतिनिधित्व करता है, जिसकी वकालत 17 वीं शताब्दी के डच खगोलशास्त्री ने की थी क्रिस्टियान ह्यूजेंस . . इन सिद्धांतों को पहली बार 1678 में पेरिस विज्ञान अकादमी को सूचित किया गया था और 1690 में उनके में प्रकाशित किया गया था' प्रकाश पर ग्रंथ '('प्रकाश पर ग्रंथ')। इसमें, उन्होंने डेसकार्टेस के विचारों के एक संशोधित संस्करण का तर्क दिया, जिसमें प्रकाश की गति अनंत है और लहर के मोर्चे पर उत्सर्जित गोलाकार तरंगों के माध्यम से प्रचारित होती है।

डबल-स्लिट प्रयोग:

19वीं सदी की शुरुआत तक, वैज्ञानिकों ने कणिका सिद्धांत को तोड़ना शुरू कर दिया था। यह आंशिक रूप से इस तथ्य के कारण था कि कणिका सिद्धांत प्रकाश के विवर्तन, हस्तक्षेप और ध्रुवीकरण को पर्याप्त रूप से समझाने में विफल रहा, बल्कि विभिन्न प्रयोगों के कारण भी था जो अभी भी प्रतिस्पर्धी दृष्टिकोण की पुष्टि करते प्रतीत होते थे कि प्रकाश एक लहर के रूप में व्यवहार करता है।

इनमें से सबसे प्रसिद्ध यकीनन था डबल-स्लिट प्रयोग , जो मूल रूप से 1801 में अंग्रेजी पॉलीमैथ थॉमस यंग द्वारा संचालित किया गया था (हालांकि सर आइजैक न्यूटन ने अपने समय में कुछ इसी तरह का आयोजन किया माना जाता है)। यंग के प्रयोग के संस्करण में, उन्होंने कागज की एक पर्ची का इस्तेमाल किया, जिसमें स्लिट्स काटे गए थे, और फिर उन पर प्रकाश स्रोत की ओर इशारा करते हुए यह मापने के लिए कि प्रकाश कैसे गुजरता है।

शास्त्रीय (यानी न्यूटनियन) कण सिद्धांत के अनुसार, प्रयोग के परिणाम स्लिट्स के अनुरूप होने चाहिए, स्क्रीन पर दो लंबवत रेखाओं में दिखने वाले प्रभाव। इसके बजाय, परिणामों से पता चला कि प्रकाश की सुसंगत किरणें हस्तक्षेप कर रही थीं, जिससे स्क्रीन पर उज्ज्वल और अंधेरे बैंड का एक पैटर्न बना। इसने शास्त्रीय कण सिद्धांत का खंडन किया, जिसमें कण एक दूसरे के साथ हस्तक्षेप नहीं करते हैं, लेकिन केवल टकराते हैं।

हस्तक्षेप के इस पैटर्न के लिए एकमात्र संभावित स्पष्टीकरण यह था कि प्रकाश पुंज वास्तव में तरंगों के रूप में व्यवहार कर रहे थे। इस प्रकार, इस प्रयोग ने इस धारणा को दूर कर दिया कि प्रकाश में कणिकाएँ होती हैं और प्रकाश के तरंग सिद्धांत की स्वीकृति में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। हालाँकि बाद के शोध, जिसमें इलेक्ट्रॉन और विद्युत चुम्बकीय विकिरण की खोज शामिल है, वैज्ञानिकों को एक बार फिर यह विचार करने के लिए प्रेरित करेगा कि प्रकाश एक कण के रूप में भी व्यवहार करता है, इस प्रकार तरंग-कण द्वैत सिद्धांत को जन्म देता है।

विद्युत चुंबकत्व और विशेष सापेक्षता:

19वीं और 20वीं शताब्दी से पहले, प्रकाश की गति पहले ही निर्धारित की जा चुकी थी। पहले रिकॉर्ड किए गए माप डेनिश खगोलशास्त्री ओले रोमर द्वारा किए गए थे, जिन्होंने 1676 में बृहस्पति के चंद्रमा Io से प्रकाश माप का उपयोग करके यह दिखाया था कि प्रकाश एक सीमित गति (तुरंत के बजाय) पर यात्रा करता है।

प्रो. अल्बर्ट आइंस्टीन 28 दिसंबर, 1934 को अमेरिकन एसोसिएशन फॉर द एडवांसमेंट ऑफ़ साइंस की बैठक में 11वां जोशिया विलार्ड गिब्स व्याख्यान देते हुए। क्रेडिट: एपी फोटो

19वीं शताब्दी के अंत तक, जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने प्रस्तावित किया कि प्रकाश एक विद्युत चुम्बकीय तरंग है, और कई समीकरण तैयार किए (जिन्हें जाना जाता है) मैक्सवेल के समीकरण ) यह वर्णन करने के लिए कि कैसे विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र एक दूसरे द्वारा और आवेशों और धाराओं द्वारा उत्पन्न और परिवर्तित होते हैं। विभिन्न प्रकार के विकिरण (चुंबकीय क्षेत्र, पराबैंगनी और अवरक्त विकिरण) का मापन करके, वह निर्वात में प्रकाश की गति की गणना करने में सक्षम था (इसका प्रतिनिधित्व किया गया था)सी)

1905 में, अल्बर्ट आइंस्टीन प्रकाशित 'चलती निकायों के विद्युतगतिकी पर”, जिसमें उन्होंने अपने सबसे प्रसिद्ध सिद्धांतों में से एक को आगे बढ़ाया और सदियों से स्वीकृत धारणाओं और रूढ़िवादों को उलट दिया। अपने पेपर में, उन्होंने कहा कि प्रकाश स्रोत की गति या पर्यवेक्षक की स्थिति की परवाह किए बिना, सभी जड़त्वीय संदर्भ फ़्रेमों में प्रकाश की गति समान थी।

इस सिद्धांत के परिणामों की खोज ने उन्हें अपने सिद्धांत को प्रस्तावित करने के लिए प्रेरित किया विशेष सापेक्षता , जिसने यांत्रिकी के नियमों के साथ बिजली और चुंबकत्व के लिए मैक्सवेल के समीकरणों का मिलान किया, गणितीय गणनाओं को सरल बनाया, और प्रकाश की प्रत्यक्ष रूप से देखी गई गति के अनुरूप और देखे गए विपथन के लिए जिम्मेदार था। इसने यह भी प्रदर्शित किया कि प्रकाश की गति की प्रासंगिकता प्रकाश और विद्युत चुंबकत्व के संदर्भ से बाहर थी।

एक के लिए, इसने इस विचार को पेश किया कि बड़े परिवर्तन तब होते हैं जब चीजें प्रकाश की गति के करीब चलती हैं, जिसमें एक गतिमान पिंड का समय-स्थान फ्रेम धीमा और गति की दिशा में सिकुड़ता हुआ दिखाई देता है जब पर्यवेक्षक के फ्रेम में मापा जाता है। तेजी से सटीक माप की सदियों के बाद, 1975 में प्रकाश की गति 299,792,458 मीटर/सेकेंड निर्धारित की गई थी।

आइंस्टीन और फोटॉन:

1905 में, आइंस्टीन ने विद्युत चुम्बकीय विकिरण के व्यवहार के आसपास के भ्रम को हल करने में भी मदद की, जब उन्होंने प्रस्तावित किया कि इलेक्ट्रॉनों को परमाणुओं से उत्सर्जित किया जाता है जब वे प्रकाश से ऊर्जा को अवशोषित करते हैं। के रूप में जाना प्रकाश विद्युत प्रभाव , आइंस्टीन ने अपने विचार को 'ब्लैक बॉडीज' के साथ प्लैंक के पहले के काम पर आधारित किया - ऐसी सामग्री जो इसे प्रतिबिंबित करने के बजाय विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा को अवशोषित करती है (अर्थात श्वेत निकाय)।

उस समय, आइंस्टीन का फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव 'काले शरीर की समस्या' को समझाने का प्रयास था, जिसमें एक काला शरीर वस्तु की गर्मी के कारण विद्युत चुम्बकीय विकिरण का उत्सर्जन करता है। यह भौतिकी की दुनिया में एक निरंतर समस्या थी, जो इलेक्ट्रॉन की खोज से उत्पन्न हुई थी, जो केवल आठ साल पहले हुई थी (अग्रणी भौतिकविदों के नेतृत्व में धन्यवाद जे.जे. थॉम्पसन और कैथोड रे ट्यूब का प्रयोग करते हुए प्रयोग )

उस समय, वैज्ञानिक अभी भी मानते थे कि विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा एक लहर के रूप में व्यवहार करती है, और इसलिए शास्त्रीय भौतिकी के संदर्भ में इसे समझाने में सक्षम होने की उम्मीद कर रहे थे। आइंस्टीन के स्पष्टीकरण ने इसके साथ एक विराम का प्रतिनिधित्व किया, यह कहते हुए कि विद्युत चुम्बकीय विकिरण एक कण के अनुरूप व्यवहार करता है - प्रकाश का एक मात्रात्मक रूप जिसे उन्होंने 'फोटॉन' नाम दिया। इस खोज के लिए आइंस्टीन को 1921 में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

तरंग-कण द्वैत:

प्रकाश के व्यवहार पर बाद के सिद्धांत इस विचार को और परिष्कृत करेंगे, जिसमें फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी लुई-विक्टर डी ब्रोगली शामिल थे जो तरंग दैर्ध्य की गणना करते थे जिस पर प्रकाश कार्य करता था। इसके बाद हाइजेनबर्ग के 'अनिश्चितता सिद्धांत' (जिसमें कहा गया था कि एक फोटॉन की स्थिति को सटीक रूप से मापने से इसकी गति और इसके विपरीत माप में गड़बड़ी होगी), और श्रोडिंगर के विरोधाभास ने दावा किया कि सभी कणों में 'लहर फ़ंक्शन' होता है।

क्वांटम यांत्रिक व्याख्या के अनुसार, श्रोडिंगर ने प्रस्तावित किया कि एक कण (इस मामले में, एक फोटान) के बारे में सभी जानकारी इसके में एन्कोडेड हैतरंग क्रिया, एक जटिल-मूल्यवान फ़ंक्शन जो अंतरिक्ष में प्रत्येक बिंदु पर एक तरंग के आयाम के लगभग अनुरूप होता है। किसी स्थान पर, वेव फंक्शन की माप बेतरतीब ढंग से 'पतन', या यों कहें कि 'डेकोहेयर', एक तेज शिखर वाले फ़ंक्शन के लिए होगी। यह श्रोडिंगर के प्रसिद्ध विरोधाभास में एक बंद बॉक्स, एक बिल्ली और जहर की एक शीशी (जिसे 'के रूप में जाना जाता है' के रूप में जाना जाता है) में दिखाया गया था। श्रोडिंगर बिल्ली' विरोधाभास)।

अलग-अलग तरंग दैर्ध्य में यात्रा करने वाले दो फोटॉन की कलाकार की छाप, जिसके परिणामस्वरूप अलग-अलग रंग का प्रकाश होता है। श्रेय: NASA/सोनोमा स्टेट यूनिवर्सिटी/औरोर साइमननेट

उनके सिद्धांत के अनुसार, तरंग कार्य भी एक अंतर समीकरण (उर्फ। the .) के अनुसार विकसित होता है श्रोडिंगर समीकरण ) द्रव्यमान वाले कणों के लिए, इस समीकरण के हल हैं; लेकिन बिना द्रव्यमान वाले कणों के लिए कोई समाधान मौजूद नहीं था। डबल-स्लिट प्रयोग से जुड़े आगे के प्रयोगों ने फोटॉन की दोहरी प्रकृति की पुष्टि की। जहां फोटॉनों को स्लिट्स से गुजरते हुए देखने के लिए मापने वाले उपकरणों को शामिल किया गया था।

जब यह किया गया, तो फोटॉन कणों के रूप में दिखाई दिए और स्क्रीन पर उनके प्रभाव स्लिट्स के अनुरूप थे - सीधी खड़ी रेखाओं में वितरित छोटे कण-आकार के धब्बे। एक अवलोकन उपकरण को जगह में रखने से, फोटॉन का तरंग कार्य ध्वस्त हो गया और प्रकाश ने एक बार फिर शास्त्रीय कणों के रूप में व्यवहार किया। जैसा कि श्रोडिंगर ने भविष्यवाणी की थी, यह केवल यह दावा करके हल किया जा सकता है कि प्रकाश में एक तरंग कार्य होता है, और यह देखने से व्यवहारिक संभावनाओं की सीमा उस बिंदु तक गिर जाती है जहां उसका व्यवहार अनुमानित हो जाता है।

क्वांटम फील्ड थ्योरी (क्यूएफटी) का विकास अगले दशकों में तरंग-कण द्वैत के आसपास की अस्पष्टता को हल करने के लिए तैयार किया गया था। और समय के साथ, इस सिद्धांत को अन्य कणों और बातचीत की मौलिक ताकतों (जैसे कमजोर और मजबूत परमाणु बलों) पर लागू होने के लिए दिखाया गया था। आज, फोटॉन कण भौतिकी के मानक मॉडल का हिस्सा हैं, जहां उन्हें बोसॉन के रूप में वर्गीकृत किया जाता है - उप-परमाणु कणों का एक वर्ग जो बल वाहक होते हैं और जिनका कोई द्रव्यमान नहीं होता है।

तो प्रकाश कैसे यात्रा करता है? मूल रूप से, अविश्वसनीय गति (299 792 458 मीटर/सेकेंड) और विभिन्न तरंग दैर्ध्य पर यात्रा करना, इसकी ऊर्जा पर निर्भर करता है। यह एक तरंग और एक कण दोनों के रूप में भी व्यवहार करता है, जो माध्यमों (जैसे हवा और पानी) के साथ-साथ अंतरिक्ष के माध्यम से प्रचार करने में सक्षम है। इसका कोई द्रव्यमान नहीं है, लेकिन फिर भी इसे अवशोषित, परावर्तित या अपवर्तित किया जा सकता है यदि यह किसी माध्यम के संपर्क में आता है। और अंत में, केवल एक चीज जो वास्तव में उसे मोड़ सकती है, या उसे रोक सकती है, वह है गुरुत्वाकर्षण (अर्थात एक ब्लैक होल)।

हमने प्रकाश और विद्युत चुंबकत्व के बारे में जो सीखा है, वह 20वीं शताब्दी की शुरुआत में भौतिकी में हुई क्रांति के लिए अंतर्निहित है, एक ऐसी क्रांति जिससे हम तब से जूझ रहे हैं। मैक्सवेल, प्लैंक, आइंस्टीन, हाइजेनबर्ग और श्रोडिंगर जैसे वैज्ञानिकों के प्रयासों के लिए धन्यवाद, हमने बहुत कुछ सीखा है, लेकिन अभी भी बहुत कुछ सीखना बाकी है।

उदाहरण के लिए, गुरुत्वाकर्षण (कमजोर और मजबूत परमाणु बलों के साथ) के साथ इसकी बातचीत एक रहस्य बनी हुई है। इसे अनलॉक करना, और इस प्रकार एक थ्योरी ऑफ एवरीथिंग (टीओई) की खोज करना कुछ ऐसा है जिसे खगोलविद और भौतिक विज्ञानी आगे देखते हैं। किसी दिन, हमें शायद यह सब पता चल गया होगा!

हमने यहां यूनिवर्स टुडे में प्रकाश के बारे में कई लेख लिखे हैं। उदाहरण के लिए, यहाँ है प्रकाश की गति कितनी तेज है? , प्रकाश वर्ष कितना दूर है? , आइंस्टीन का सापेक्षता का सिद्धांत क्या है?

यदि आप प्रकाश के बारे में अधिक जानकारी चाहते हैं, तो इन लेखों को देखें भौतिकी हाइपरटेक्स्टबुक और नासा के मिशन विज्ञान पृष्ठ।

हमने इंटरस्टेलर ट्रैवल के बारे में एस्ट्रोनॉमी कास्ट का एक पूरा एपिसोड भी रिकॉर्ड किया है। यहाँ सुनो, एपिसोड 145: इंटरस्टेलर ट्रैवल .