אור - תורות מודרניות

התורה האלקטרומגנטית - באמצע המאה ה-19 זיהה מייקל פאראדיי את הקשר בין אור לשדות חשמליים ומגנטיים, בניסוי שנקרא כיום אפקט פאראדיי. בניסוי עובר אור מקוטב דרך חומר דיאלקטרי שבו פועל שדה מגנטי, וכתוצאה מכך כוון הקיטוב מסתובב. פאראדיי שיער שהאור הוא סוג של קרינה אלקטרומגנטית ושהוא יכול להתפשט גם בהיעדר כל חומר. השערה זו מבטלת את הצורך בקיום האתר. ממצאיו הובילו את ג'יימס קלרק מקסוול לחקור אור וקרינה אלקטרומגנטית.

 

הוא מצא שמהירות ההתקדמות של קרינה אלקטרומגנטית שווה למהירות האור, ובכך חיזק את השערתו של פאראדיי. מקסוול תיאר מתמטית את תכונות הקרינה בתוך קבוצה של ארבע משוואות הנקראות משוואות מקסוול. בעקבות מקסוול יצר היינריך רודולף הרץ במעבדתו גלי רדיו, שהם סוג של קרינה אלקטרומגנטית, והראה שתכונותיהם זהות לאור, ושהם גורמים לתופעות האופייניות לאור כמו החזרה, שבירה, עקיפה והתאבכות. ממצאיו אישרו שאכן אור הוא סוג של קרינה אלקטרומגנטית.

 

תורת היחסות הפרטית - בסוף המאה ה-19 הוכיח ניסוי מייקלסון-מורלי שהאור נע במהירות קבועה, ללא קשר למהירותו של הצופה. עובדה זו סתרה את הפיזיקה המוכרת באותה תקופה, ושימשה את אלברט איינשטיין כאחת מהנחות היסוד של תורת היחסות, בה הגדיר מחדש את המרחב והזמן. לאחר פיתוח תורת היחסות, התבררו משוואות מקסוול כלא מספיק כלליות, ונדרש ניסוח מחדש של משוואות מקסוול בצורה יחסותית.

 

תורת הקוונטים - בתחילת המאה ה-20, שתי תופעות שלא הוסברו בתורת האלקטרומגנטיות גרמו לפיתוח תורת הקוונטים:
האפקט הפוטואלקטרי - פליטה של אלקטרונים ממתכת כאשר זו מוקרנת באור. לאלקטרונים הנפלטים אנרגיה קינטית שיחסית לתדירות הקרינה, ולא לעוצמתה כפי שציפו מהתורה האלקטרומגנטית. ההסבר שנתן אלברט איינשטיין לתופעה זו הוא שהאור מורכב מחלקיקים שהאנרגיה שלהם יחסית לתדירותם. בעקבות הסבר זה זכה איינשטיין בפרס נובל.

קרינת גוף שחור - האור שפולטים גופים חמים, שבו התדירות העיקרית (בעלת העוצמה הגבהה ביותר) יחסית לטמפרטורת הגוף, וגם תופעה זו לא הוסברה בתורה הגלית. מקס פלאנק הסביר את האור כחבילות גלים, שלהם מידה לא רציפה אלא בדידה של אנרגיה, הקוונטה (בלטינית quanta, "מידות"). פלאנק זכה אף הוא בפרס נובל, על גילוי והבנת הקוונטה.

 

איינשטיין ופלאנק הסבירו את האור באמצעות דואליות גל-חלקיק כגל וגם כחלקיק, כאשר החלקיק נקרא פוטון, הוא חסר מסה והאנרגיה שלו שווה לתדירות כפול קבוע פלאנק :

.

 

מאוחר יותר הרחיב לואי דה ברויי את הדואליות גם לחלקיקים אחרים, בעלי מסה, כדוגמת האלקטרון, וקישר את אורך הגל למסה ולתנע של החלקיק (ראו השערת דה ברויי).

 

אלקטרודינמיקה קוונטית - נחשבת לתורה הפיזיקלית המדויקת ביותר. תורה זו מתארת את האור כשדה בתורת השדות הקוונטית. התורה התפתחה במחצית הראשונה של המאה ה-20. בתורה זו הפוטון הוא עירור (מצב בעל אנרגיה גבוהה) של שדה כיול (שדה שמוגדר כדי לשמור על המטען החשמלי). בתורה זו הפוטון מגיב עם חלקיקים טעונים חשמלית בלבד, באמצעות חוקי פיינמן. תורה זו נבדקה בניסויים בדיוקים גבוהים, לדוגמה ספקטרום פליטה של אטומים, כלומר אורכי הגל שאטום פולט כאשר מוסיפים לו אנרגיה.