عندما تنظر إلى قلم رصاص أصفر متموضع على مكتبك فإن عينيك و دماغ يقومان بتجميع جميع أنواع المعلومات عن قلم الرصاص ذاك : من مثل حجمه، لونه ، شكله ، المسافة بينه و بينك ، وأكثر من ذلك . ولكن، كيف يحدث هذا بالضبط؟ الإغريق كانوا أول من فكر بصورة علمية أو غير علمية حول الضوء وماهيته وكيف يؤثر على آلية الرؤية. بعض الفلاسفة اليونانيين، بمن في ذلك أفلاطون وفيثاغورس، إعتقدوا أن الضوء ينبع في الاساس من الأعين والرؤية تحدث حين تُرسل جزيئات غير مرئية من الأعين لجمع المعلومات حول الأجسام البعيدة. و استغرق تغير ذلك المفهوم أكثر من ألف سنة لحين ظهور العالم العربي، ابن الهيثم، الذي دحض نظرية الضوء اليونانية القديمة والتي من وجهة نظره منافية تماما للمنطق بحسب رؤية ابن الهيثم، فالأعين لا ترسل جزيئات غير مرئية، تقوم بجمع المعلومات الاستخبارتية، إنها ببساطة تجمع الضوء الذي يقع في مرماها. نظرية ابن الهيثم استطاعت في الحقيقة تفسير ما لم تستطيع النظرية اليونانية تفسيره وهو لماذا يظهر الظلام في بعض الأحيان. وبحسب رؤية ابن الهيثم الصحيحة فإن نوعية الأجسام التي تبث الضوء قليلة جداً وتلك الأجسام أجسام مميزة من مثل الشمس أو المصباح، وهي مصادر معروفة للضوء. معظم الأشياء التي نراها، مثل هذا القلم على مكتبك، هي ببساطة أجسام تعكس الضوء من مصدر يشبه تلك المصادر السابقة عوضاً عن إنتاج الضوء الخاص بها لذا، عندما تنظر إلى قلم الرصاص الخاص بك، فالضوء الذي تستقبله عينيك نشأ أساساً في الشمس وقد سافر ملايين الأميال عبر الفضاء قبل أن ينعكس من على قلم الرصاص لكي يصل إلى عينيك وهي فكرة مثيرة إن تأملتها. ولكن، ما هي بالضبط الأشياء التي تنبعث من الشمس وكيف نراها؟ هل هي جسيمات، مثل الذرات، أم أنها موجة ، مثل التموجات على سطح بركة ؟ العلماء في العصر الحديث استمروا لمئات السنين في محاولة معرفة الإجابة على هذا السؤال. وكان إسحاق نيوتن أحد أول الباحثين عن تلك الاجابة إعتقد نيوتن أن الضوء يتكون من جزيئات صغيرة، مثل الذرة، كان يدعوها " كريات الضوء " و باستخدام هذا الافتراض كان قادراً على شرح بعض خصائص الضوء. مثل الانكسار على سبيل المثال وهي النظرية التي تفسر سبب انحناء شعاع الضوء عندما يمر من الهواء إلى الماء. ولكن، في العلم، حتى العباقرة يخطئون أحياناً ثم في القرن التاسع عشر، بعد فترة طويلة من وفاة "نيوتن"، أقام العلماء سلسلة من التجارب التي أظهرت بوضوح أن الضوء لا يمكن أن يتكون من جزيئات صغيرة، مثل الذرة. لسبب واحد محوري على الاقل وهو عندما تتقاطع حزمتا ضوء مع بعضهما البعض فتلك " الجزيئات الافتراضية " لا تتفاعل مع بعضها البعض على الإطلاق. و إذا كان الضوء مكونا في الأساس من كريات دقيقة وصلبة فمن المنطقي أن نتوقع أن بعض الجسيمات من الحزمة الضوئية أ لا بد و أن ترتطم مع ببعض من الجزيئات من الحزمة الضوئية ب وإذا حدث ذلك فان تلك الجزيئات التي شاركت في التصادم سوف ترتد في اتجاهات عشوائية. ولكن، هذا لا يحدث. فالحزمة الضوئية من الطرف الأيمن تمر بسلاسة عبر الحزمة الضوئية من الطرف الأيسر يمكنك التحقق من ذلك بنفسك عبر استخدام مؤشرات ليزر وبعض غبار الطباشير. و لسبب آخر أيضاً وهو أن الضوء يشكل أنماط تداخل أنماط التداخل هي التموجات المعقدة التي تحدث عندما تشغل موجتان تملك كل منهما نمطا معينا نفس الحيز. ويمكن أن نلمس هذا التداخل عندما نقوم برمي جسمين صلبين على سطح بركة ساكنة، وأيضا عندما يتم وضع نقطتين من مصادر الضوء بالقرب من بعضها البعض. فالموجات فقط هي من تشكل أنماط التداخل لا الجسيمات. وتبعاً لذلك ونتيجة عنه، عندما توصل العلماء إلى أن الضوء يتصرف مثل الموجات استطاعوا بطبيعة الحال فهم ماهية الألوان والسبب الذي يجعل قلم رصاص يبدو أصفرا. إذاً لقد اتفقنا .. الضوء ينتمي للموجات أليس كذلك ؟ ليس بهذه السرعة ! في القرن العشرين، أجرى العلماء سلسلة من التجارب أظهرت أن الضوء يمكن أن يتصرف مثل الجزيئات فعلى سبيل المثال، عند تسليط حزمة من الضوء على معدن معين، فحزمة الضوء تلك تقوم بنقل الطاقة إلى الذرات في المعادن في حزم منفصلة تسمى "كمّات" - كوانتا - . ولكن لا يمكننا أن نتناسى خصائص التداخل كذلك. لذلك هذه -الكمّات- من الضوء ليست على الإطلاق تلك الجزيئات الصغيرة التي تحدث عنها نيوتن نتيجة لكل هذا يمكننا القول أن الضوء يتصرف في بعض الأحيان مثل الجسيمات وفي بعض الأحيان يتصرف مثل الموجات وهذه المعضلة أدت إلى ظهور نظرية فيزياء ثورية جديدة تسمى ميكانيكا الكم. بعد كل هذا دعونا نعد مرة أخرى إلى السؤال الأهم "ما هو الضوء؟" حسنا، الضوء شيء مميز ليس مثل أي شيء آخر اعتدنا على التعامل معه في حياتنا اليومية. فهو في بعض الأحيان يسلك سلوك الجسيمات وفي بعض أخرى فإنه يسلك سلوك الموجات، ولكنه ليس أشبه بأي منهما.
You look down and see a yellow pencil lying on your desk. Your eyes, and then your brain, are collecting all sorts of information about the pencil: its size, color, shape, distance, and more. But, how exactly does this happen? The ancient Greeks were the first to think more or less scientifically about what light is and how vision works. Some Greek philosophers, including Plato and Pythagoras, thought that light originated in our eyes and that vision happened when little, invisible probes were sent to gather information about far-away objects. It took over a thousand years before the Arab scientist, Alhazen, figured out that the old, Greek theory of light couldn't be right. In Alhazen's picture, your eyes don't send out invisible, intelligence-gathering probes, they simply collect the light that falls into them. Alhazen's theory accounts for a fact that the Greek's couldn't easily explain: why it gets dark sometimes. The idea is that very few objects actually emit their own light. The special, light-emitting objects, like the sun or a lightbulb, are known as sources of light. Most of the things we see, like that pencil on your desk, are simply reflecting light from a source rather than producing their own. So, when you look at your pencil, the light that hits your eye actually originated at the sun and has traveled millions of miles across empty space before bouncing off the pencil and into your eye, which is pretty cool when you think about it. But, what exactly is the stuff that is emitted from the sun and how do we see it? Is it a particle, like atoms, or is it a wave, like ripples on the surface of a pond? Scientists in the modern era would spend a couple of hundred years figuring out the answer to this question. Isaac Newton was one of the earliest. Newton believed that light is made up of tiny, atom-like particles, which he called corpuscles. Using this assumption, he was able to explain some properties of light. For example, refraction, which is how a beam of light appears to bend as it passes from air into water. But, in science, even geniuses sometimes get things wrong. In the 19th century, long after Newton died, scientists did a series of experiments that clearly showed that light can't be made up of tiny, atom-like particles. For one thing, two beams of light that cross paths don't interact with each other at all. If light were made of tiny, solid balls, then you would expect that some of the particles from Beam A would crash into some of the particles from Beam B. If that happened, the two particles involved in the collision would bounce off in random directions. But, that doesn't happen. The beams of light pass right through each other as you can check for yourself with two laser pointers and some chalk dust. For another thing, light makes interference patterns. Interference patterns are the complicated undulations that happen when two wave patterns occupy the same space. They can be seen when two objects disturb the surface of a still pond, and also when two point-like sources of light are placed near each other. Only waves make interference patterns, particles don't. And, as a bonus, understanding that light acts like a wave leads naturally to an explanation of what color is and why that pencil looks yellow. So, it's settled then, light is a wave, right? Not so fast! In the 20th century, scientists did experiments that appear to show light acting like a particle. For instance, when you shine light on a metal, the light transfers its energy to the atoms in the metal in discrete packets called quanta. But, we can't just forget about properties like interference, either. So these quanta of light aren't at all like the tiny, hard spheres Newton imagined. This result, that light sometimes behaves like a particle and sometimes behaves like a wave, led to a revolutionary new physics theory called quantum mechanics. So, after all that, let's go back to the question, "What is light?" Well, light isn't really like anything we're used to dealing with in our everyday lives. Sometimes it behaves like a particle and other times it behaves like a wave, but it isn't exactly like either.