Licht: golven of deeltjes?

Voor iedereen die al eens de zonnestralen door een lens op een stuk papier heeft gefocust en een gat in het papier heeft gebrand, is het evident dat licht energie transporteert. Maar hoe plant licht zich voort en hoe wordt die energie getransporteerd?
We kennen het transport van energie onder de vorm van deeltjes, zoals in een waterval of lawine, en onder de vorm van golven zoals in water of geluid, waar die energie zonder massatransport toch over lange afstanden wordt getransporteerd. Maar wat weten we hierover voor het licht? Is het nu een stroom van deeltjes, of plant het zich voort als golven? Wie had er nu gelijk?

Historisch bekeken bleek dit een moeilijk probleem te zijn. Soms bleek er tussen wetenschappers voorkeur te zijn voor het ene model, soms voor het andere – tot in 1830 de meeste fysici het golfmodel aanvaardden en op het einde van de 19e eeuw het licht als een elektromagnetische golf werd beschouwd. Maar in het begin van de 20e eeuw werd dan weer bewezen dat het licht eveneens een deeltjeskarakter heeft…

Licht is een golf!

christiaan huygensWe beginnen bij Christiaan Huygens. Hij was een tijdgenoot van Newton en een vooraanstaande Nederlandse wis-, natuur- en sterrenkundige, uitvinder, en schrijver van vroege sciencefiction. Hij ontdekte de maan Titan van de planeet Saturnus. Hij is bekend geworden met zijn golftheorie van het licht, met zijn Traité de la lumière (1690), geschreven toen hij in Parijs woonde.

Belangrijk daarin is het ‘beginsel van Huygens’. Dat zegt dat elk punt op een golffront mag beschouwd worden als een bron van wavelets (kleine golfjes) die zich voorwaarts verspreiden met de snelheid van de golf zelf (en met de dezelfde frequentie). Het nieuwe golffront is de enveloppe van al de wavelets .

Het is van toepassing op breking, weerkaatsing, echo, buiging, en interferentie. Deze golftheorie voorziet dat golven zich rond hindernissen kunnen buigen en er zo golven in de “schaduwzones” verschijnen. Dit noemt men ook diffractie. Gezien diffractie voorkomt bij golven en niet bij deeltjes kan het fenomeen dienen om de natuur van het licht te onderscheiden.

Vanuit elk punt van de kaarsvlam breiden lichtgolven zich als boloppervlakken over de hele ruimte uit.
Buiging of diffractie van een golf rond een hindernis.
Licht is een deeltje!

De latere theorie van Isaac Newton in zijn Opticks ging in tegen de golftheorie: hij verklaarde weerkaatsing en breking van licht juist met lichtdeeltjes. Breking van licht of refractie is het verschijnsel waarbij lichtstralen van richting veranderen als ze van het ene medium (doorzichtige stof) in het andere terechtkomen. De wetten van weerkaatsing of reflectie waren inderdaad wel gekend, maar deze wetten konden geen onderscheid maken tussen de twee modellen (golf of deeltje). Als licht onder een bepaalde invalshoek op een oppervlak stuit, kan dat gereflecteerd worden, onder eenzelfde hoek. Maar dat is ook het geval voor deeltjes.

Newton ontdekte echter ook dat licht in verschillende kleuren kon worden gesplitst. Dat was niet zo gemakkelijk te verklaren met de golftheorie van Huygens. Newton had hier wel een verklaring voor: wit licht bestaat uit deeltjes met verschillende eigenschappen die wij als verschillende kleuren waarnemen. Het prisma haalt als een soort zeef deze deeltjes volgens kleur uit elkaar. Als men dit spectrum terug door een prisma stuurt krijgt men terug wit licht.
De golftheorie kon ook hiervoor wel een verklaring bedenken, maar de autoriteit van Newton maakte dat de meerderheid van de fysici zich tot einde 19e eeuw achter het deeltjesmodel voor licht schaarde.Weinigen denken dat zeer grote veranderingen zich aankondigen.