در بین همه‌ی رشته‌های فرعی فیزیک، بلاشک مبحث اپتیک یا نورشناسی رشته‌ای است که روند تحقیق در آن بیش از دیگر رشته‌ها به پیش رفته است. با همه‌ی این احوال به جاست در این مقاله مسائلی از این مبحث که کم‌تر به آن‌ها پرداخته شده است روشن شود.

چالش‌های نظریه های مربوط به نور

اولین رسالت موضوع علمی اپتیک یا نور، که اشراف بر آن پیش شرط نظریه‌ای صرفاً فیزیکی در موضوع نور است، تقسیم نمودن مجموعه روی‌دادهای مربوط به درک حسی نور به دو مقوله‌ی جدا از هم است که عبارتند از : پدیده‌های عینی و پدیده‌های ذهنی. نخستین مقوله در برگیرنده‌ی هر آن چیزی است که در بیرون و مستقل از اندام حسی چشم پدید می‌آید. این پدیده‌ها که عمدتاً پرتو نورانی است عیناً تشکیل دهنده‌ی همان پژوهش فیزیکی هستند. مقوله‌ی بعدی در برگیرنده‌ی پدیده‌های داخلی، از چشم تا مغز، است. بررسی در این مقوله‌ی دوم بر عهده‌ی فیزیولوژی و حتی در مواردی روان شناسی است. این امر که پرتور نورانی را از ادراکی که حواس انسان از آن دارد جدا نماییم امر چندان ساده‌ای نیست. انجام این کار حتی مستلزم انجام عملیات ذهنی پر مشقتی است، و این امر برای فردی چون گوته ثابت شده بود. گوته دارای استعداد سرشاری در علوم طبیعی بود، اما از آن‌جا که همواره به این گرایش داشت که هر پدیده‌ای را به طور کلی در نظر گیرد چندان متمایل به کاربرد روش‌های تحلیلی نبود و همیشه از ایجاد چنین تمایزی سر باز میزد. تنها در حدود یک قرن از آن زمان سپری شده است. سؤالی که مطرح می‌کنیم این است که آیا این واقعیت ندارد که نور در بیرون از چشمی که آن را حس می‌کند قابل درک نیست؟ درحقیقت، تفاوت بسیاری است بین چیزی که به این معنی از نور قصد می‌شود با آن‌چه فیزیک‌دان به عنوان اشعه‌ی نورانی با آن سرو کله می‌زند. نظریه‌ی فیزیکی نور، یا علم اپتیک، در مجموع، رابطه‌ای بیش‌تر از رابطه‌ای که نظریه‌ی نوسان‌ آونگ با درک حسی صوت دارد با چشم انسان و درک حسی نور ندارد. این حقیقتِ حذف عنصر حسی که باعث می‌شود مبحث نور با قربانی کردن مقصود عاجل بشری به سود علم محض، تنها به توصیف فرایندهای عینی بپردازد همان چیزی است که به بسط و تکامل عظیم تئوری نور ، در عین فایده رسانی به دربایست‌های عملی جهان انسان به صورتی مکنون، جامه‌ی امکان پوشانده است.
اکتشافی وجود دارد که در شناخت ما نسبت به نور دارای تأثیر عمده‌ای بوده است. این کشف عبارت است از زمانی که قطعاً همیشه لازم است تا پرتو نور از چشمه‌ی نور تا نقطه‌ی درک حسی را طی کند خواه این چشمه، یک ستاره باشد یا یک لامپ. اما به راستی این ماهیت غریبی که از هر طرف در فضای تهی یا در جو با سرعت سی‌صد هزار کیلومتر بر ثانیه انتشار می‌یابد چه می‌تواند باشد؟ فرض آیزاک نیوتون، بانی فیزیک کلاسیک، این بود که این ماهیت، ترکیب شده است از ذراتی مادی که بی‌نهایت ریز هستند و در تمام جهات از منبع نور دور می‌شوند. فرض او این بود که نوع این ذرات برای هر رنگی فرق می‌کند. با این نظرِ این دانشمند بزرگ به این معتقد می‌شویم که حتی در دقیق‌ترین علوم نیز ممکن است یک مرجع علمی معتبر گاهی دارای تأثیر کند کننده باشد، زیرا اشتباه یک عالِم مرجع تنها محدود به خود او نخواهد ماند و ممکن است عالَم هواداران خود را نیز دچار کندی یا حتی انحراف نماید. مصداق این امر در نیوتون است که نظریه‌ی اشتباهش در مورد انتشار نور یک سده‌ی تمام اولویت خویش را محفوظ داشت در حالی که کریستیان هویگنس از همان اول با نظریه‌ی بسیار پرثمرتر و علمی‌تر موجی خود در مورد نور با نظریه‌ی نیوتون به مخالفت برخاست. هویگنس مانند نیوتون این گونه فرض نکرد که سرعت و گسترش نور همانند سرعت و گسترش باد است، بلکه هوشمندانه آن را همانند سرعت و گسترش صوت فرض کرد که در این حال سرعت انتشار دارای مفهومی کاملاً مغایر با جابه‌جایی ماده در حرکت بادگونه‌ی هواست. چیزی که از یک ابزار صوتی انتشار می‌یابد یا چیزی که بر سطح آب هنگامی که سنگی بر آن می‌اندازیم در همه جهت منتشر می‌شود خود ذرات هوا یا آب نیستند بلکه حالات و موقعیات ماده است که انتشار می‌یابد. از این رو هویگنس نظریه‌اش را بر مبنای ماده‌ای نافذ و لطیف بنیان نهاد که همه‌ی فضا را پر کرده است و محمل موج است. این ماده‌ی لطیف اتر بود، اتر نوری که امواج حامل بر آن باعث برانگیختن احساس‌هاس بصری ما می‌شوند درست همان طور که صوت حامل بر هوا برای حس شنوایی ما عمل می‌کند. هم‌چنانکه صوت با ارتفاع خود برای حس شنوایی متمایز می‌گردد رنگ هم برای حس بینایی با طول موج یا به بیان دیگر با تواتر یا تعداد نوسانات موج در ثانیه، متمایز می‌شود. این که نهایتاً نظریه‌ی هویگنس غالب آمد از جمله به این خاطر بود که بیان کننده‌ی چگونگی این امر بود که در تقاطع دو پرتو تک فام، همواره شدت‌های آن دو به صورت مطلق با هم جمع نمی‌شود بلکه این شدت‌ها می‌توانند در فاز متقابل بوه و یک‌دیگر را تضعیف کنند و این چیزی بود که نظریه‌ی نیوتون قادر به توجیه آن نبود. این پدیده‌ی تداخل در تئوری هویگنس بدون مشکل توضیح داده می‌شد در حالی که نظریه‌ی نیوتونی صدور نور نمی‌توانست این عمل خنثی سازی را بیان و توجیه کند.
در واقع علم نور هنگامی گام مهمی به جلو برداشت که این که پرتوهای نوری و تشعشعات حرارتی از یک جنس هستند قبول شد – این اولین گام در راه تفکر تجریدی در مبحث نور بود که آن را از وابسته بودن به تأثیرات حسی آزاد می‌ساخت. چیزی که در اوایل مایه‌ی حیرت و شگفتی بود این بود که نور رنگ پریده‌ی ماه از نقطه نظر فیزیکی از همان ماهیت اشعه‌های گرمایی مربوط به یک بخاری روشن باشد و تمایزش از آن جز در طول موج‌های بسیار ضعیف‌تر نباشد. شاهد بر این حیرت اولیه این که ملونی، فیزیک‌دان معروف، که خود تا حد زیادی به اثبات این همسانی کمک کرد، می‌خواست دست به آزمایش‌هایی بزند تا ثابت کند که چنین تشبیهی نمی‌تواند درست باشد. درحقیقت در این مورد باید به خاطر داشته باشیم که همان طور که در تمام استدلال‌های استقرائی محال است دلیل منطقی قاطعی ارائه نمود، تنها چیز قابل اثبات این بود که تمام قوانینی که در مورد پرتوهای نورانی صادق هستند – به ویژه قوانین بازتاب، شکست، قطبش، پراکنش، و جذب – به همان میزان در مورد تشعشعات حرارتی نیز صادقند. با تمام این اوصاف باز هم اگر کسی از این همسانی این دو نوع تابش استنکاف می‌کرد نمی‌شد او را مجاب کرد که از جاده‌ی منطق منحرف گشته است چرا که همواره این اجازه را داشت که بیان کند شاید روزی تفاوتی عمده میان آن‌ها کشف شود. اگر ما نمی‌توانستیم از دیدگاه چنین کسی دفاع کنیم فقط به این خاطر بود که چنین دیدگاهی مستلزم دوری جستن از برخی نتایج عملی و عینی همسانی تشعشعات گرمایی و نوری بود. برای مثال چنین شخصی نمی‌توانست بپذیرد که پرتو ماه گرم کننده است در حالی که امروزه هیچ فیزیکدانی شکی در این امر ندارد ولو آن را عملاً آزمایش نکرده باشد.

چالش‌های نظریه های مربوط به نور

به محض این که ثابت شد یا درواقع پذیرفته شد که همسانی یا درواقع اتحاد و این همانی‌ای بین تشعشعات اپتیکی و گرمایی در طیف زیر قرمز وجود دارد دیگر کم‌تر مشکل بود که در سوی دیگر طیف، پرتو فرابنفش به این اتحاد ملحق شود. اما خیلی طول کشید که فهمیده شد این همسانیِ گونه‌های مختلف اشعه‌ها، آن هم از هر دو سوی طیف، بی‌نهایت قابل انبساط است. قبل از رسیدن به چنین نتیجه‌ای لازم بود نظریه‌ی مکانیکی نور ابتدا به نظریه‌ی الکترومغناطیس تحویل شود.
علاوه بر نیوتون و هویگنس، جانشینان بلافصل آنان نیز، با وجود اختلاف نظراتشان، به این عقیده‌ی مشترک دست یافتند که برای دریافتی جامع از طرز رفتار مکانیکی طبیعت لازم است به سراغ توضیح پدیده‌ی نور بروند. همین برداشت در پژوهش‌های علمی متعاقباً به دنبال کشف اصل بقای انرژی یا رونق گرفتن مبحث مکانیکی گرما، به شدت تقویت شد. در همین اثنا بود که با بررسی پدیده‌ی قطبش معلوم شد که ارتعاشات اتر مشابهتی با ارتعاشات صوتی در یک فلوت که در طول و در جهت انتشار هستند ندارد، بلکه همانند ارتعاشات یک سیم ویولون مرتعش ماهیتی عرضی و عمود بر جهت انتشار دارد. علیرغم رسیدن به این نتیجه، امکان این حاصل نشد که در عمق و واقعیت وجودی این حرکات بر مبنای قوانین مکانیک عمومی به گونه‌ای عمیق‌تر غور و تفحص شود و چندی نگذشت که نارسایی فرضیات تولید کننده‌ی نظریه‌ی مکانیکی نور روشن شد. در این زمان، که اواسط قرن نوزدهم میلادی بود، جیمز کلارک ماکسول این فرضیه‌ی متهورانه را مطرح کرد که نور فرایندی الکترومغناطیسی است. نظریات و استدلال‌های ریاضی‌وار او در علم الکتریسیته، او را به این نتیجه‌گیری رهنمون شده بود که در خلأ، هرگونه آشفتگی الکتریکی با سرعت سی‌صد هزار کیلومتر بر ثانیه از مبدأ انتشار خود دور می‌شود. این برابریِ این عدد با سرعت اندازه‌گیری شده‌ی انتشار نور بود که این انگیزش را در او به وجود آورد که نور را از همان نوع آشفتگی‌های‌ الکترومغناطیسی بداند که در معادلاتش آن‌ها را تحقیق کرده بود. در واقع تجربه بود که درستی نتایج ناگزیر ناشی از این مقدمه را به اثبات رساند، و منجر به این شده که نظریه ی نور بسیار ساده و زیبا شود.
بدون شک شناخت ما از فرایندهای اپتیکی بیش از فرایندهای الکترومغناطیسی بوده است، اما مطمئناً ارزش و مفهوم نظریه‌ی الکترومغناطیس را درک نکرده‌ایم اگر هم‌جون برخی بر این اعتقاد باشیم که این نظریه به جای حل مسأله، معمایی را به جای معمایی نشانده است. درواقع حاصل این نظریه اتحاد دو قلمرو از علم فیزیک بوده است که تا قبل از آن از یک‌دیگر جدا بودند. این اتحاد به گونه ای بود که همه‌ی قوانین حاکم بر یکی لامحاله بر دیگری نیز حاکم است. نظریه‌ی ‌مکانیکی نور چنین موفقیتی را به دست نیاورده بود و قابلیت چنین تحصیلی را نیز نداشت. تا قبل از ظهور نظریه‌ی الکترومغناطیس، علم فیزیک عمدتاً به سه رشته‌ی مکانیک، مبحث نور، و الکتریسیته و مغناطیس تقسیم می‌شد، و اتحاد این سه شاخه جزو آمال و اهداف پژوهشگران فیزیک بود. در این راه این نتیجه با بسط نظریه‌ی الکترومغناطیس حاصل شد که مبحث نور که قطعاً به مبحث مکانیک تحویل پذیر نبود تماماً در مبحث الکترودینامیک تحلیل رفت و بدین‌سان قلمروهای متمایز فیزیک تقلیل یافت به دو قلمرو مکانیک و الکترودینامیک. این که مرحله‌ی اتحاد این دو قلمرو کی واقع می‌شود چیزی است که هنوز معلوم نیست. همواره پژوهشگرانی بر این امر مصمم بوده و تلاش کرده‌اند اما به نظر نمی‌آید از عهده‌ی آن برآمده باشند. قدر مسلم این است که درک مکانیکی طبیعت با استقبال سرد غالب فیزیکدان‌ها مواجه شد زیرا می‌خواست الکترودینامیک را با برداشت اتر یا هر ماهیت دیگری به عنوان حامل همه‌ی پدیده‌های الکتریکی در مکانیک مندرج سازد. بلاشک کوبنده‌ترین ضربه بر حساس‌ترین نقطه‌ی آن را این نتیجه‌ی حاصل از نظریه‌ی نسبیت اینشتین وارد آورد که اتری مستقل از ناظر اندازه‌گیر نمی‌تواند وجود داشته باشد. اگر غیر از این بود در حقیقت از دو ناظری که در فضا به سوی یک‌دیگر در حرکت بودند تنها حداکثر یکی از آن‌ها محق بود که خود را نسبت به اثر ساکن بداند، در حالی که بر حسب نظریه‌ی نسبیت اینشتین هر دو می‌توانند چنین حقی داشته باشند.
ماکسول چیزی را در تئوری و تنها در فکر ارائه داد که تنها یک نسل بعد، هاینریش هرتز، عملاً وجود آن را با تولید امواج الکترومغناطیسیِ محاسبه شده توسط ماکسول، به نمایش گذاشت. بدین ترتیب تئوری الکترومغناطیسی نور، که بر مبنای آن تنها جنبه‌ی متمایز امواج الکتریکی از امواج نوری و گرمایی در طول موج آنهاست که یک میلیون بار بزرگ‌تر است، به صورت نهایی به تأیید رسید. این گونه بود که بیناب نور به گونه‌ای که پیش‌بینی نمی‌شد به سمت بسامدهای کم یا طول موج‌های بلند گسترش یافت. اما چندان طول نکشید که با کشف اشعه‌ی ایکس و پرتو رادیواکتیو گاما و اکتشاف بسامدهای بسیار بالا، در سوی دیگر بیناب نیز گسترش‌های قابل ملاحظه‌ای حاصل شد. هر دوی اشعه‌ی ایکس و گاما نمودهای از خواص امواج نوری هستند، هر دو نوسانات الکترومغناطیسی‌اند البته با طول موج‌هایی بسیار بسیار کوچک. در این داستان چیزی که قابل توجه است این است که می‌بینیم مفهوم الکترومغناطیس چقدر ساده و بی سروصدا جانشین نظریه‌ی مکانیکی نور شد – این مثالی عالی است نشان دهنده‌ی این واقعیت که آن چیزی که فیزیک به آن‌ها تکیه دارد تنها فرضیه‌هایی نیست که از آن‌ها نشأت می‌گیرد بلکه بر قوانینی که به سوی آن‌ها رهنمون می‌شود نیز تکیه دارد. البته معادلات و فرمول‌های اساسی اپتیک به حال اولیه‌ی خود باقی ماندند زیرا معتبر و بر مبنای آزمایشات بودند، اما اکنون آن‌ها را دیگر نه آن‌چنان که در آغاز استنتاج شده بودند با طرز فکر مکانیکی، که با طرز فکری الکترودینامیکی تفسیر می‌نمودند واین امر خود باعث شد کاربرد آن‌ها به نحو قابل ملاحظه‌ای بسط یابد.
این البته نخستین باری نبود که علم از راهی سریع‌تر از آن‌چه قابل انتظار بود به نتیجه‌ای عمده نائل گردید. این امر آدمی را وسوسه می‌کند که این نتیجه را بگیرد که این به سود مباحث نظری فیزیک است که به چشم پوشی از فرضیات ویژه‌ای که از دایره‌ی داده‌های تجربی گام فراتر می‌نهند تن دهند و به واقعیات غیر قابل تردید، یعنی نتایج اندازه‌گیری‌ها، پایبند بمانند. اما این نیز واقعیتی است که انجام این کار توسط تئوری، باعث محرومیت آن از مهم‌ترین دستیارش می‌شود که همانا قدرت تنظیم و تعقیب استدلال‌هایی است که راه پیش‌رفت را به رویش می‌گشاید، چیزی که فکر تنها برای آن کفایت نمی‌کند و بلکه به نیروی خیال نیز در آن نیاز است. مسلماً اگر نظریه‌ی مکانیکی نور نبود، علم نورشناسی با چنین سرعتی به مرحله‌ی پیش‌رفته‌ی کنونی خود دست نمی‌یافت.
نظریه‌ی موجی هویگنس مضمون اصلی خود را البته در قالب درک الکترومغناطیسی حفظ کرده است. این مضمون اشعار می‌دارد که هر آشفتگی‌ای در اطراف مرکز ایجاد خود در همه‌ی جهات به صورت امواجی هم‌مرکز انتشار می‌یابد. با این همه در دیدگاه بعدی، آن‌جه که انتشار می‌یابد دیگر یک انرژی مکانیکی متأثر از تغییر شکل اتر نیست بلکه یک انرژی الکترومغناطیسی است زیرا نیروی میادین تغییر یابنده‌ی الکتریکی و مغناطیسی جای ارتعاشات دوره‌ای اتر را گرفته‌اند.
این مرحله‌ای متکامل‌تر است که بر اساس آن نظریه‌ی نور یا نظریه‌ی تابش، عرضه کننده‌ی تصویر بنای استواری به ماست که در آن تمام نوسانات الکترومغناطیسی که ظاهراً بسیار ناهمگن به نظر می‌رسند با هماهنگی، منظم شده و آرایش می‌یابند و بر اساس نظریه‌ی موجی هویگنس، بر تمام آن‌ها قوانین انشار یکسانی حاکم می‌گردد. در یک طرف بیناب، امواج کیلومتری هرتس است و در سوی دیگر آن پرتو سخت گاما با طول موجی میلیاردها بار کوچک‌تر از یک سانتیمتر. در چنین دستگاه جبری‌ای، چشم دیگر چیزی جز واکنشگری اتفاقی، اما البته بسیار حساس، و البته بسیار محدود، نیست، زیرا حساسیتی ورای داخل بیناب کوتاه مرئی با دامنه‌ای که به سختی به یک اکتاو می‌رسد ندارد. برای بقیه‌ی طیف، جای چشم را ابزارهای ثبت‌کننده و اندازه‌گیر مناسب دیگری می‌گیرند که ویژه‌ی طول موج‌های معینی هستند مثل آشکار کننده‌ی امواج، تابش‌سنج، رادیومتر، و صفحات حساس عکاسی. به این ترتیب مشاهده می‌کنیم که در علم نورشناسی، مفاهیم بنیادی رابطه‌ی خود را با ادراک‌های حسی قطع کرده‌اند درست همان طور که در علم مکانیک دیر زمانی قبل از آن مفاهیم بنیادی این علم رابطه‌ی خود را با احساس‌های عضلانی قطع کرده بودند.

چالش‌های نظریه های مربوط به نور

هرچند سال‌ها وضع چنین بود، اما تغییرات حادث کم نبودند. از این رو این بنای استوار به تدریج در شالوده‌های خود شکاف‌هایی برداشت. عده‌ای از فیزیکدان‌ها به این اندیشه افتادند که وقت تجدید بنای آن، بر روی پایه‌های نوی فرا رسیده است. درواقع باید گفت بدون شک درک الکترومغناطیسی نور همواره بری از انکار می‌ماند، اما نظریه‌ی موجی هویگنس به گونه‌ای عجیب، حداقل در یک مورد، در معرض تهدید قرار گرفت. علت این امر کشف شواهدی بود که توضیح داده می‌شود.
هنگامی که تایش‌های فرابنفش در خلأ بر روی صفحه‌ای فلزی بتابند تعداد معینی الکترون، با سرعت‌هایی کمابیش زیاد را از آن جدا یا آزاد می‌کنند. سرعتی که الکترون‌های آزاد شده دارند اساساً به فلز، و به ویژه به دمای آن، بستگی ندارد. این امر انسان را وسوسه می‌کند که نتیجه بگیرد که انرژی الکترون‌ها از فلز به دست نمی‌آید بلکه از پرتور نوری که به فلز برخورد می‌کند حاصل می‌شود.
در صورتی که چنین نتیجه‌ای بگیریم امر تعجب‌آوری رخ نداده است. لاجرم باید قبول کرد که انرژی الکترومغناطیسی امواج نوری تبدیل می‌گردد به انرژی جنبشی الکترون‌ها. ولی چیزی که در تقابل با نظریه‌ی هویگنس به وضوح چون مشکلی غلبه‌ناپذیر قد علم می‌نماید این امر یقینی است که سرعت الکترون‌ها تنها به طول موج امواج نوری تابشی و نه به شدت آن‌ها بستگی دارد و این چیزی است که فیلیپ لنار به طور ویژه آن را اثبات کرد. به بیان دیگر آن تنها به رنگ و نه به شدت آن وابسته است، یعنی پرتوهای تایشی هر چه دارای طول موج کوتاه‌تری باشند سرعت الکترون‌های آزاد شده بیش‌تر خواهد بود. به این ترتیب در صورتی که فلز را از منبع نور دور کنیم، هرچند شدت نور فرودی به خاطر زیادتر شدن فاصله کم‌تر می‌شود، اما هم‌چنان الکترون‌های آزاد شده دارای همان سرعتند. تنها تفاوتی که ایجاد می‌شود این است که تعداد الکترون‌های آزاد شده کاهش می‌یابد.
به این ترتیب می‌توانیم بگوییم که مشکل ایجاد شده این است که الکترون آزاد شده انرژیش را از کجا کسب می‌کند، انرژی‌ای که دارای مقداری ثابت است هرچند شدت نور تا حد صفر کاهش یابد (با دور شدن منبع نور). به نظر می‌رسد که با گونه‌ای تراکم انرژی نوری در نقاط رهایی الکترون‌ها سروکار داریم. چنین تراکمی کاملاً چیزی سوای انرژی متوسط و سرشکن شده در نظریه‌ی هویگنس است. ممکن است سعی کنیم این مسأله را این گونه توجیه کنیم که تشعشعات منبع نور نه پیوسته که به صورت پالسی صادر می‌شود، اما حتی در این حال هم انرژی پالسی یا جرقه‌ای از این نوع لاجرم با گسترش خود روی سطح کروی آن‌چنان بزرگی، به گونه‌ای سرشکن می‌شود که سهمی که به فلز تحت تابش می‌رسد جز مقدار هم‌چنان کم شونده‌ای از انرژی نخواهد بود، و در این شرایط این محاسبه‌ای ساده است که دریابیم برای این که الکترون منفردی دارای سرعتی که در عمل مشاهده می‌شود بشود لازم است، اگر نه چند ساعت، که لااقل دقایقی تحت این تابش ضعیف شده باشد، و این امری است که تاکنون در عمل و آزمایش مشاهده نشده است. برعکس، این اثر آزادسازی الکترون (اثر فوتوالکتریک)، بلافاصله، و در نهایتِ سرعت، خود را نشان می‌دهد. عین همین کیفیت در مورد پرتوهای ایکس و گاما مشهود است. البته چون در مورد این پرتوها، طول موج، کوتاه است سرعت الکترون‌های آزاد شده بیش‌تر می‌گردد.
قاعدتاً تنها توضیحی که برای این پدیده‌ی تعجب‌آور می‌توان ارائه کرد این است که انرژی ارسال شده از چشمه‌ی نور هم از لحاظ زمانی و هم از لحاظ مکانی، در برخی از نقاط، متراکم و متمرکز است. به بیان دیگر، این گونه نیست که انرژی نوری به طور پیوسته در تمام جهات با کاهش مرتب دامنه سرشکن شود، بلکه این انرژی به صورت بسته‌ها یا کوانتوم‌های معینی، که تنها به رنگ یا طول موج نور بستگی دارند، با سرعتی برابر سرعت انتشار نور در تمام جهات پراکنده می‌شوند. هر کدام از این بسته‌ها یا کوانتوم‌ها که به سطح فلز برخورد نمایند قادرند انرژی خود را به یک الکترون منتقل نمایند، و بالتبع این انرژی ثابت و غیروابسته به فاصله‌ی منبع نور است. درواقع شدت نور تنها بیانگر تراکمِ تعدادیِ این بسته‌ها و کوانتوم‌هاست که هر کدام در هر حال انرژی خود را که تنها به رنگ نور بستگی دارد دارند.
با این تصویر ایجاد شده، ملاحظه می‌کنیم که نظریه‌ی نیوتونی صدور اشعه‌ی نور به شکلی تازه خودنمایی می‌کند. در زمان نیوتون، مشکل بزرگ، فائق آمدن بر توجیه پدیده‌ی تداخل با استفاده از نظریه‌اش بود. همین مشکل بزرگ در برابر این نظریه‌ی جدید نیز خودنمایی می‌نماید، زیرا فهمیدن این مطلب دشوار است که چگونه دو بسته یا کوانتوم نوری از یک جنس، در تقاطع یا برخورد با هم می‌توانند هم‌دیگر را خنثی نمایند (یا به عبارتی نابود سازند) و اصل بقای انرژی هم‌چنان صادق باشد.
از این رو، حل این معما به صورت مبرم‌ترین دربایست نظریه‌ی تشعشعات جلوه‌گر می‌شود. مطمئناً در چنین حیرانی‌ای، این فکر وسوسه انگیز است که انرژی الکترون‌های آزاد شده از فلز، نه از تشعشعات تابیده بر فلز، که از خود فلز گرفته شده است. یعنی گویا کار این پرتوهای تابشی تنها کشیدن ماشه است و تنها نقش آن آزاد کردن انرژی نهفته‌ی الکترون‌هاست، همان‌طور که یک جرقه ی کوچک قادر است انرژی‌های متراکم و مخفی در یک انبار باروت را ناگهان آزاد سازد. ولی با اتخاذ چنین فرضی لازم می‌آید که مقدار انرژی آزاد شده تابعی باشد از چگونگی و شکل آزاد شدن الکترون‌ها. پدیده‌هایی مشابه را در علم فیزیک می‌توان سراغ گرفت. مثلاً در این زمینه ماکس بورن مقایسه‌ای را به تصور در آورده است. او می‌گوید درخت سیب تناوری را تجسم نمایید که میوه های رسیده همه‌ی شاخه‌های آن را در بر گرفته است. تصور کنید که همه‌ی این سیب‌ها یک اندازه دارند و تنها تفاوت آن‌ها در دم‌های کوتاه و بلند آن‌هاست. فرض کنید پراکندگی سیب‌ها به گونه‌ای است که سیب‌های دم‌کوتاه بالاتر از سیب‌های دم‌بلند واقع شده‌اند. حال تجسم کنید که نسیمی بسیار ملایم و منظم به میان شاخه‌ها بوزد. در این حال همه‌ی میوه‌های دچار نوسان می‌شوند اما هیچ کدام نخواهد افتاد، هرچند میزان پیچ و تاب بالایی‌ها بیش از پایینی‌هاست. اگر در این هنگام درخت را کاملاً آهسته، اما با ضربی منظم تکان دهیم مشاهده خواهیم کرد که نوسانات سیب‌هایی که دوره تناوب طبیعی آن‌ها با ضرب تکان ما هم‌نواست دچار تشدید می‌شود و باعث سقوط آن ها می‌گردد و هرچه درخت را با این ضرب به مدتی طولانی‌تر و با شدتی بیش‌تر تکان دهیم از این سیب ها تعداد بیش‌تری کنده شده و سقوط خواهد نمود. این سیب‌ها در زمین افتادنشان دارای سرعت معینی هستند که تنها به ارتفاع اولیه‌ی سیب‌ها وابسته است و به عبارتی تنها به اندازه ی دم آن‌ها بستگی دارد. سیب‌های دیگر اما هم‌چنان بر شاخه‌ها باقی خواهند ماند.
هم‌چون بسیاری از دیگر تمثیل‌ها، این تشبیه نیز از جهاتی لنگ می‌زند، به ویژه از این نظر که در آن، منبعی از انرژی که با آن سروکار داریم انرژی ناشی از جاذبه است که انرژی جنبشی درونی محسوب نمی‌شود. ولی سوای این مسأله، نکته‌ی اساسی یک چیز دیگر است: در این تشبیه شاهد این هستیم که میوه‌های جدا شده به سرعت نهایی‌ای می‌رسند که بزرگی آن تنها وابسته به دوره‌ی تناوت تکان‌ها و نوسان‌های طبیعی میوه‌هاست، و شدت تکان‌ها فقط تأثیر در تعداد میوه‌های جدا شده از درخت دارد. به هر حال این سؤال مطرح می‌شود که آیا حق داریم برای ذره‌ای بی‌نهایت کوچک از فلز، سازواره‌ای به پیچیدگی ساختمان درخت سیب و انرژی‌ای قابل قیاس با انرژی مربوط به درخت در نظر بگیریم. گرچه ممکن است چنین قیاسی در بدو امر بیهوده به نظر آید اما چندان هم لغو و پوچ نیست. درحقیقت، از قدیم می‌دانیم که این‌گونه نیست که اتم‌های شیمیایی برای تشکیل ماده هم‌چون آجرهای ثابتی که کنار یک‌دیگر قرار گرفته‌اند عناصری نامتغیر باشند، بلکه باید این‌گونه فکر کنیم که هر کدام از اتم‌ها، به ویژه اتم‌های یک فلز سنگین، هم‌چون جهانی هستند که با نفوذ بیش‌تر در درون آن محتوای غنی‌تر و گونه‌گون‌تر آن بیش‌تر هویدا می‌شود. به این ترتیب دوباره به موضوع انرژی می‌رسیم که برطبق نظریه‌ی اینشتین هر گرم از ماده در بر دارنده‌ی بیست بیلیون کالری از آن است، چیزی که مسلماً بیش از مقدار لازم برای آزاد کردن انبوه فراوانی از الکترون‌هاست.

چالش‌های نظریه های مربوط به نور

این آزمایش است که به عنوان بهترین قاضی نشان می‌دهد که آیا چنین دیدی می‌تواند نظریه‌ی موجی را نجات دهد یا نه. به هر حال قبل از همه این تئوریسین‌ها هستند که باید پا به میدان نهند و بدون هیچ‌گونه پیش‌داوری‌ای دو نظریه را مطالعه نموده و محک زنند و از پژوهش‌های خود نتایجی استخراج نمایند که به واقعیت هر چه ممکن است نزدیک‌تر باشد. در این مسیر، نظریه‌پردازان لازم است در کنار دانش خود، در باره‌ی میزان دقتی که از اندازه‌گیری‌ها قابل انتظار است داوری درستی داشته باشند. به نظر می‌رسد علیرغم گذشت سالیان نسبتاً دراز، هنوز ممکن نیست بگوییم چه زمانی به حل قطعی این مسأله دست پیدا می‌کنیم.
چیزی که درباره‌ی اثرهای نور بیان گردید هم‌چنین در مورد پیدایش آن و درنتیجه در مورد فرایندهای تولید تابش‌های نوری صادق است. در این حال هم، در برابر معماهایی قرار خواهیم گرفت که حل آن‌ها ساده نیست. فقط یک چیز یقینی است که کوانتوم‌ها یا بسته‌های نوری دارای نقشی تعیین کننده در تکوین نور هستند. فیزیک‌دان آلمانی، نیلز بوهر، فرضیه‌ای را ارائه داد که در طی چندین سال بارها محک صحت خورد گرچه بعدها نظریه‌اش تکمیل شد و بسط یافت. بنا بر نظریه‌ی او الکترون‌های هر اتم گازی متشعشع، دارای نوساناتی از نوع گردش سیارات به دور خورشید است. بر طبق همان قوانین گردشی، الکترون‌ها روی مدارهایی معین، به تعدادهای کمابیش زیاد، و در فواصل گوناگون، به دور هسته در گردش هستند. با همه‌ی این احوال، نور ناشی از این گردش‌ها، به طور پیوسته از اتم به اطراف ساطع نمی‌شود آن‌چنان که مثلاً امواج صوتی ناشی از یک دیاپازون یه طور پیوسته به اطراف منتشر می‌شود. نشر نور در عوض به صورت ضربه‌ای و جهشی و بریده بریده است. می‌توان گفت که انرژی‌دهی نورانی تابع حرکات منظم الکترون‌ها نیست، بلکه فقط موقعی حادث می‌شود که الکترون‌ها دچار تغییری دفعی یا دست‌خوش نوعی فروریختگی یا سقوط شوند، یعنی به عبارتی نوعی فروریختگی درونی که باعث می‌شود الکترون‌ها از مدارهایشان خارج شده و به مدارهای تازه‌ی باثبات‌ترِ دارای انرژی کم‌تر بیافتند. مازاد این انرژی است که به صورت کوانتوم نور به جهان اطراف ساطع می‌شود.
شگفت‌انگیزترین نمود پدیده‌ی فوق این است که دوره‌ی تناوب نور نشری، غالباً اصلاً با دوره‌ی تناوب حرکات الکترون‌ها بر روی مدارهای اولیه، آن‌چنان که نیلز بور به تصویر کشیده بود، تطبیق نمی‌کنند، بلکه این دوره تنها به مقدار انرژی ساطع شده بستگی دارد. هر چه حرکات الکترون‌ها سریع‌تر باشد کوانتوم‌های نور بیش‌ترند. لذا هرچه انرژی بیش‌تری ساطع شود لاجرم طول امواج کوتاه‌تر خواهد بود تا تعداد بیشتری کوانتوم صادر شده باشد. از این رو، اگر صدور انرژی زیادی را داشته باشیم، اشعه‌ی فرابنفش و یا حتی اشعه‌ی ایکس به وجود خواهد آمد. و در وضعیت برعکس، شاهد به وجود آمدن پرتو فروسرخ خواهیم بود. سؤالی که پیش می‌آید این است که چرا نوسانات نورانی‌ای که به این صورت حادث می‌شوند بدون استثنا هم‌چنان تک فام باقی می‌مانند. این سؤالی است که در یافتن پاسخ آن توفیق درخشانی به دست نیامده است.
دانش ما در مورد ماهیت فیزیکی نور هم‌چنان پرسش‌برانگیز است. سؤالاتی شبیه این که آیا این خود نور است که کوانتومی شده است یا اثر آن در ماده به صورت کوانتومی ظاهر می شود. این گونه سؤال ها در برابر تمام نظریات کوانتومی قد علم می‌کند، سؤالاتی که تعیین کننده‌ی این خواهد بود که این نظریات بالاخره به قانون تبدیل خواهند شد یا نه، و تکامل نظریه در قبال یافتن پاسخ آن‌هاست.