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.
אתם מביטים למטה ורואים עיפרון צהוב מונח על השולחן שלכם. העיניים שלכם, ואז המוח שלכם, אוספים כל מיני סוגי מידע על העיפרון: הגודל שלו, הצבע, הצורה, מרחק, ועוד. אבל, איך בדיוק זה קורה? היוונים בעת העתיקה היו הראשונים לחשוב פחות או יותר בצורה מדעית על מה הוא אור ואיך הראיה עובדת. כמה פילוסופים יוונים, כולל אפלטון ופיתגורס, חשבו שהאור מקורו בעיניינו ושראיה מתרחשת כשחיישנים קטנים ובלתי נראים נשלחים ישירות לאסוף מידע על עצמים מרוחקים. זה לקח יותר מאלף שנים לפני שמדען ערבי, אלחסן, הבין שהתאוריה היוונית הישנה על אור לא יכולה להיות נכונה. בהבנתו של אלחסן, העיניים שלכם לא שולחות חיישנים חכמים בלתי נראים לאיסוף מידע, הן פשוט אוספות את האור שנופל לתוכן. התאוריה של אלחסן לוקחת בחשבון את העובדה שהיוונים לא יכלו להסביר בקלות: למה נעשה חשוך מדי פעם. הרעיון הוא שלמעשה יש מעט מאוד עצמים שמפיצים אור בעצמם. החפצים המיוחדים, שמפיצים אור, כמו השמש או נורה, ידועים כמקורות אור. רוב הדברים שאנחנו רואים, כמו העיפרון על השולחן שלכם, הם פשוט מחזירים אור ממקור ולא מייצרים אור בעצמם. אז, כשאתם מביטים בעיפרון, האור שפוגע בעיניכם מקורו למעשה בשמש והוא נע מיליוני קילומטרים בחלל ריק לפני שהוחזר מהעיפרון לעיניכם, שזה די מגניב כשחושבים על זה. אבל, מה הוא בדיוק הדבר שמוקרן מהשמש ואיך אנחנו רואים אותו? האם זה חלקיק, כמו אטומים, או האם זה גל, כמו אדוות על פני בריכה? מדענים בעידן המודרני יבלו מאתיים שנה בלהבין את התשובה לשאלה הזו. אייזיק ניוטון היה אחד מהראשונים. ניוטון האמין שאור עשוי מחלקיקים קטנטנים, דמויי אטומים, להם הוא קרא קורפוסלס. בשימוש בהנחה הזו, הוא היה מסוגל להסביר כמה מהתכונות של האור. לדוגמה, החזרה, שזו הדרך בה נדמה שאלומת אור מתעקמת כשהיא עוברת מאויר למים. אבל, במדע, אפילו גאונים טועים לפעמים. במאה ה 19, הרבה אחרי שניוטון מת, מדענים עשו שורה של ניסויים שיכולים להראות בברור שאור לא יכול להיות עשוי מחלקיקים דמויי אטומים. דבר ראשון, שתי קרני אור שחוצות אחת את השנייה לא פועלות זו על זו בכלל. אם אור היה עשוי מכדורים, זעירים ומוצקים, אז הייתם מצפים שכמה חלקיקים מקרן א, יתנגשו בחלקיקים שמגיעים מקרן ב. אם זה היה קורה, שני החלקיקים שמעורבים בהתנגשות היו ניתזים לכיוונים אקראיים. אבל, זה לא קורה. קרני האור עוברות אחת דרך השניה כמו שאתם יכולם לבדוק בעצמכם עם שני סמני לייזר וקצת אבק גיר. דבר נוסף הוא שאור יוצר תבניות התאבכות. תבניות התאבכות הן מבנים מורכבים שקורים כששתי תבניות גל תופסות את אותו המקום. הן יכולות להופיע כששני אובייקטים מפריעים למשטח של בריכה שקטה, וגם כששני מקורות אור נקודתיים מונחים אחד ליד השני. רק גלים יוצרים תבניות התאבכות, חלקיקים לא. וכבונוס, הבנה שאור מתנהג כגל מובילה כמובן להסבר של מהו צבע ולמה העיפרון נראה צהוב. אז, יישבנו את זה אז, אור הוא גל, נכון? לא כל כך מהר! במאה ה20, מדענים ערכו ניסויים שנראה שהוכיחו שאור מתנהג כמו חלקיקים. לדוגמה, כשאתם מאירים אור על מתכת, האור מעביר את האנרגיה שלו לאטומים של המתכת בשיעורים קבועים שנקראים קוונטות. אבל, אנחנו לא יכולים לשכוח את התכונות כמו התאבכות. אז הקוונטות האלה של אור בכלל לא כמו הכדוריות הקשות והקטנטנות האלה שניוטון דמיין. התוצאה הזו, שאור לפעמים מתנהג כחלקיקים ולפעמים מתנהג כגל, הובילה לתאוריית פיזיקה חדשה ומהפכנית שנקראת מכניקה קוונטית. אז, אחרי כל זה, בואו נחזור לשאלה, "מה הוא אור?" ובכן, אור בעצם לא דומה לשום דבר שאנחנו רגילים להתמודד אתו בחיינו היום יומיים. לפעמים הוא מתנהג כמו חלקיק ופעמים אחרות הוא מתנהג כמו גל, אבל הוא לא בדיוק כמו אחד מהם.