Je okrog nas in nam omogoča, da vidimo svet. Toda vprašajte koga od nas in večina ne bo mogla razložiti, kaj ta svetloba v resnici je. Svetloba nam pomaga razumeti svet, v katerem živimo. Naš jezik to odraža: v temi, ki jo premikamo z dotikom, začnemo videti luč skupaj z začetkom zore. Pa vendar še zdaleč nismo popolnoma razumeli svetlobe. Če približate žarek svetlobe, kaj bo v njem? Da, svetloba se neverjetno hitro premika, a je ni mogoče uporabiti za potovanja? In tako naprej in tako naprej.
Seveda ne bi smelo biti tako. Svetloba je stoletja zmedla najboljše misli, toda pomembna odkritja v zadnjih 150 letih so postopoma dvignila tančico skrivnosti nad to skrivnostjo. Zdaj bolj ali manj razumemo, kaj je to.
Fiziki našega časa ne samo dojemajo narave svetlobe, ampak jo tudi poskušajo nadzorovati z izjemno natančnostjo - kar pomeni, da lahko svetloba zelo kmalu deluje na najbolj neverjeten način. Zaradi tega so Združeni narodi leto 2015 razglasili za mednarodno leto svetlobe.
Svetlobo lahko opišemo na vse mogoče načine. Vendar je vredno začeti s tem: svetloba je oblika sevanja (sevanja). In ta primerjava je smiselna. Vemo, da lahko odvečna sončna svetloba povzroči kožni rak. Vemo tudi, da lahko izpostavljenost sevanju ogrozi nekatere oblike raka; ni težko potegniti vzporednic.
Toda niso vse oblike sevanja enake. Konec 19. stoletja so znanstveniki lahko natančno ugotovili bistvo svetlobnega sevanja. In najbolj čudno je, da to odkritje ni prišlo iz preučevanja svetlobe, ampak je izhajalo iz desetletja dela na področju narave elektrike in magnetizma.
Zdi se, da sta elektrika in magnetizem povsem različni stvari. Toda znanstveniki, kot sta Hans Christian Oersted in Michael Faraday, so ugotovili, da so globoko prepleteni. Oersted je odkril, da električni tok, ki gre skozi žico, odbije iglo magnetnega kompasa. Medtem je Faraday odkril, da lahko premikanje magneta blizu žice ustvari električni tok v žici.
Takratni matematiki so s temi opazovanji ustvarili teorijo, ki opisuje ta nenavaden nov pojav, ki so ga poimenovali "elektromagnetizem". Toda samo James Clerk Maxwell je lahko opisal celotno sliko.
Maxwellovega prispevka k znanosti ni težko preceniti. Albert Einstein, ki ga je Maxwell navdihnil, je dejal, da je za vedno spremenil svet. Njegovi izračuni so nam med drugim pomagali razumeti, kaj je svetloba.
Promocijski video:
Maxwell je pokazal, da električna in magnetna polja potujejo v valovih in ti valovi potujejo s svetlobno hitrostjo. To je Maxwellu omogočilo, da je napovedal, da samo svetlobo prenašajo elektromagnetni valovi - kar pomeni, da je svetloba oblika elektromagnetnega sevanja.
V poznih osemdesetih letih, nekaj let po Maxwellovi smrti, je nemški fizik Heinrich Hertz prvi uradno dokazal, da je Maxwellov teoretični koncept elektromagnetnega vala pravilen.
"Prepričan sem, da če bi Maxwell in Hertz živela v dobi Nobelove nagrade, bi jo zagotovo dobila," pravi Graham Hall z univerze v Aberdeenu v Veliki Britaniji - kjer je Maxwell delal konec 1850-ih.
Maxwell se v anale znanosti o svetlobi uvršča iz drugega, bolj praktičnega razloga. Leta 1861 je s pomočjo tribarvnega filtrirnega sistema predstavil prvo stabilno barvno fotografijo, ki je postavila temelje številnim oblikam barvne fotografije danes.
Že stavek, da je svetloba oblika elektromagnetnega sevanja, ne pove veliko. Pomaga pa opisati, kaj vsi razumemo: svetloba je spekter barv. To opažanje sega nazaj k delu Isaaca Newtona. Barvni spekter vidimo v vsem svojem sijaju, ko se na nebu dvigne mavrica - in te barve so neposredno povezane z Maxwellovim konceptom elektromagnetnih valov.
Rdeča luč na enem koncu mavrice je elektromagnetno sevanje z valovno dolžino od 620 do 750 nanometrov; vijolična barva na drugem koncu je sevanje z valovno dolžino od 380 do 450 nm. Toda elektromagnetno sevanje je več kot vidne barve. Svetloba z valovno dolžino, daljšo od rdeče, imenujemo infrardeča. Svetloba z valovno dolžino krajšo od vijolične se imenuje ultravijolična. Številne živali lahko vidijo v ultravijolični svetlobi, nekateri pa tudi. V nekaterih primerih ljudje celo vidijo infrardečo povezavo. Morda zato nismo presenečeni, da imenujemo ultravijolične in infrardeče oblike svetlobe.
Nenavadno pa je, da če se valovne dolžine še skrajšajo ali podaljšajo, jih nehamo imenovati "svetloba". Zunaj ultravijoličnega elektromagnetnega valovanja je lahko krajše od 100 nm. To je področje rentgenskih in gama žarkov. Ste že slišali za rentgenske žarke, ki jih imenujejo oblika svetlobe?
"Znanstvenik ne bo rekel" Skozi predmet sejem z rentgensko svetlobo. " Rekel bo: "Uporabljam rentgenske žarke," pravi Gulilmakis.
Medtem se preko infrardečih in elektromagnetnih valovnih dolžin valovi raztezajo do 1 cm in celo do tisoč kilometrov. Takšni elektromagnetni valovi se imenujejo mikrovalovi ali radijski valovi. Nekaterim se morda zdi nenavadno dojemanje radijskih valov kot svetlobe.
"S stališča fizike med radijskimi valovi in vidno svetlobo ni veliko fizične razlike," pravi Gulilmakis. "Opisali jih boste z enakimi enačbami in matematiko." Loči jih le naša vsakdanja percepcija.
Tako dobimo drugačno definicijo svetlobe. To je zelo ozek obseg elektromagnetnega sevanja, ki ga lahko vidijo naše oči. Z drugimi besedami, svetloba je subjektivna oznaka, ki jo uporabljamo samo zaradi omejitev svojih čutil.
Če želite podrobnejše dokaze, kako subjektivno je naše dojemanje barv, pomislite na mavrico. Večina ljudi ve, da spekter svetlobe vsebuje sedem osnovnih barv: rdečo, oranžno, rumeno, zeleno, modro modro in vijolično. Imamo celo priročne pregovore in reke o lovcih, ki želijo vedeti, kje je fazan. Poglejte lepo mavrico in poskusite videti vseh sedem. Tudi Newtonu ni uspelo. Znanstveniki sumijo, da je mavrica mavrico razdelila na sedem barv, saj je bila številka "sedem" za starodavni svet zelo pomembna: sedem not, sedem dni v tednu itd.
Maxwellovo delo o elektromagnetizmu nas je popeljalo še korak dlje in pokazalo, da je vidna svetloba del širokega spektra sevanja. Jasna je bila tudi narava svetlobe. Znanstveniki že stoletja poskušajo razumeti, kakšno obliko svetloba dejansko ima v temeljnem merilu, ko potuje od svetlobnega vira do naših oči.
Nekateri so verjeli, da se svetloba premika v obliki valov ali valov, po zraku ali skrivnostnem "etru". Drugi so menili, da je ta model valov napačen, in da so svetloba tok majhnih delcev. Newton se je nagnil k drugemu mnenju, zlasti po vrsti poskusov, ki jih je opravil s svetlobo in ogledali.
Spoznal je, da svetlobni žarki upoštevajo stroga geometrijska pravila. Žarek svetlobe, ki se odraža v ogledalu, se obnaša kot žoga, vržena neposredno v ogledalo. Newton ni predlagal, da bi valovi sledili tem predvidljivim ravnim črtam, zato morajo svetlobo prenašati nekatere oblike drobnih delcev brez mase.
Težava je v tem, da obstajajo enako prepričljivi dokazi, da je svetloba val. Ena najjasnejših demonstracij tega je bila leta 1801. Eksperiment Thomas Young z dvojnimi režami je načeloma mogoče samostojno opraviti doma.
Vzemite list debelega kartona in vanj previdno zarežite dva tanka navpična reza. Nato vzemite "koherenten" vir svetlobe, ki bo oddajal samo svetlobo določene valovne dolžine: laser je v redu. Nato usmerite svetlobo v dve reži, tako da med prehodom pade na drugo površino.
Pričakovali bi, da boste na drugi površini, kjer je svetloba prešla skozi reže, videli dve svetli navpični črti. Ko pa je Jung eksperimentiral, je videl zaporedje svetlih in temnih črt kot črtna koda.
Ko svetloba prehaja skozi tanke reže, se obnaša kot vodni valovi, ki prehajajo skozi ozko odprtino: razpršijo se in širijo v obliki polkroglastih valovanj.
Ko ta svetloba prehaja skozi dve reži, vsak val duši drugega in tvori temne lise. Ko se valovi zbližajo, se dopolni in tvori svetle navpične črte. Youngov poskus je dobesedno potrdil valni model, zato je Maxwell zamisel postavil v trdno matematično obliko. Svetloba je val.
Potem pa je prišlo do kvantne revolucije
V drugi polovici devetnajstega stoletja so fiziki poskušali ugotoviti, kako in zakaj nekateri materiali absorbirajo in oddajajo elektromagnetno sevanje bolje kot drugi. Omeniti velja, da se je električna lahka industrija takrat šele razvijala, zato so bili materiali, ki lahko oddajajo svetlobo, resna stvar.
Proti koncu devetnajstega stoletja so znanstveniki odkrili, da se količina elektromagnetnega sevanja, ki ga oddaja predmet, spreminja s svojo temperaturo in te spremembe izmerili. Toda nihče ni vedel, zakaj se to dogaja. Leta 1900 je Max Planck rešil ta problem. Ugotovil je, da izračuni lahko pojasnijo te spremembe, vendar le, če predpostavimo, da se elektromagnetno sevanje prenaša v majhnih ločenih delih. Planck jih je imenoval "kvante", množina latinskega "kvant". Nekaj let kasneje je Einstein za osnovo vzel svoje ideje in razložil še en presenetljiv eksperiment.
Fiziki so odkrili, da se kos kovine pri obsevanju z vidno ali ultravijolično svetlobo pozitivno napolni. Ta učinek so imenovali fotoelektrični.
Atomi v kovini so izgubili negativno nabite elektrone. Očitno je svetloba kovini oddajala dovolj energije, da je sprostila nekaj elektronov. Toda zakaj so to storili elektroni, ni bilo jasno. Več energije bi lahko prenesli že s spreminjanjem barve svetlobe. Natančneje, elektroni, ki jih sprošča kovina, obsevana z vijolično svetlobo, so prenašali več energije kot elektroni, ki jih je sproščala kovina, obsevana z rdečo svetlobo.
Če bi bila svetloba samo val, bi bilo smešno
Običajno spremenite količino energije v valu in jo tako povečate - predstavljajte si visok cunami uničujoče moči - in ne daljši ali krajši. Širše gledano je najboljši način za povečanje energije, ki jo svetloba prenaša na elektrone, povečati svetlobni val višje: to je, da je svetloba svetlejša. Spreminjanje valovne dolžine in s tem svetlobe ne bi smelo bistveno vplivati.
Einstein je spoznal, da je fotoelektrični učinek lažje razumljiv, če v terminologiji Planckovih kvantov predstavljate svetlobo.
Predlagal je, da svetlobo prenašajo majhni kvantni kosi. Vsak kvant nosi del diskretne energije, povezane z valovno dolžino: krajša je valovna dolžina, manjša je energija. To bi lahko pojasnilo, zakaj deli vijolične svetlobe s sorazmerno kratkimi valovi nosijo več energije kot relativno dolgi deli rdeče svetlobe.
Pojasnilo bi tudi, zakaj preprosto povečanje svetlosti svetlobe v resnici ne vpliva na rezultat.
Svetlejša svetloba dovaja več porcij svetlobe do kovine, vendar to ne spremeni količine energije, ki jo nosi vsak del. Grobo rečeno, en del vijolične svetlobe lahko prenese več energije na en elektron kot več porcij rdeče svetlobe.
Einstein je te dele energijskih fotonov imenoval in so zdaj prepoznani kot temeljni delci. Vidno svetlobo prenašajo fotoni, prenašajo pa se tudi druge oblike elektromagnetnega sevanja, kot so rentgenski žarki, mikrovalovni in radijski valovi. Z drugimi besedami, svetloba je delček.
Na tej točki so se fiziki odločili, da končajo razpravo o tem, iz česa je sestavljena luč. Oba modela sta bila tako prepričljiva, da se nobenega smisla ni smelo opustiti. Na presenečenje mnogih nefizikov so se znanstveniki odločili, da se svetloba hkrati obnaša kot delček in val. Z drugimi besedami, svetloba je paradoks.
Hkrati fiziki niso imeli težav z razcepljeno osebnostjo svetlobe. Zaradi tega je bila svetloba do neke mere dvakrat koristna. Danes, opirajoč se na delo svetilk v dobesednem pomenu besede - Maxwella in Einsteina - iztisnemo vse iz svetlobe.
Izkazalo se je, da enačbe, ki se uporabljajo za opis svetlobnega vala in svetlobnih delcev, delujejo enako dobro, vendar je v nekaterih primerih eno lažje uporabiti kot drugo. Fiziki torej preklapljajo med njimi, podobno kot z metri opisujemo lastno višino in se premaknemo na kilometre, da opišemo vožnjo s kolesom.
Nekateri fiziki poskušajo s svetlobo ustvariti šifrirane komunikacijske kanale, na primer za denarna nakazila. Zanje je smiselno, da o svetlobi razmišljajo kot o delcih. To je posledica čudne narave kvantne fizike. Dva temeljna delca, kot je par fotonov, se lahko "zapleteta". To pomeni, da bodo imeli skupne lastnosti, ne glede na to, kako daleč druga od druge, zato jih je mogoče uporabljati za prenos informacij med dvema točkama na Zemlji.
Druga značilnost tega zapletanja je, da se kvantno stanje fotonov spremeni, ko jih preberemo. To pomeni, da če nekdo poskuša prisluškovati šifriranemu kanalu, bo teoretično takoj izdal svojo prisotnost.
Drugi, kot Gulilmakis, uporabljajo svetlobo v elektroniki. Bolj koristno se jim zdi, da predstavljajo svetlobo kot vrsto valov, ki jih je mogoče ukrotiti in nadzorovati. Sodobne naprave, imenovane "sintetizatorji svetlobnega polja", lahko medsebojno popolnoma kombinirajo svetlobne valove. Posledično ustvarjajo svetlobne impulze, ki so bolj intenzivni, kratkotrajni in bolj usmerjeni kot svetloba običajne svetilke.
V zadnjih 15 letih so se te naprave naučile uporabljati za ukrotitev svetlobe do skrajne mere. Leta 2004 so se Gulilmakis in njegovi kolegi naučili, kako proizvajati neverjetno kratke impulze rentgenskih žarkov. Vsak impulz je trajal le 250 attosekund ali 250 kvintiljonov sekund.
Z uporabo teh drobnih impulzov, kot je bliskavica fotoaparata, so lahko zajemali slike posameznih valov vidne svetlobe, ki nihajo veliko počasneje. Dobesedno so fotografirali gibljivo svetlobo.
"Že od Maxwellovih časov smo vedeli, da je svetloba nihajoče elektromagnetno polje, vendar nihče ni niti pomislil, da bi lahko slikali nihajočo svetlobo," pravi Gulilmakis.
Opazovanje teh posameznih svetlobnih valov je bil prvi korak k manipulaciji in spreminjanju svetlobe, pravi, podobno kot spreminjamo radijske valove za prenos radijskih in televizijskih signalov.
Pred sto leti je fotoelektrični učinek pokazal, da vidna svetloba vpliva na elektrone v kovini. Gulilmakis pravi, da bi moralo biti mogoče natančno nadzorovati te elektrone z uporabo vidnih svetlobnih valov, prirejenih za natančno interakcijo s kovino. "Lahko manipuliramo s svetlobo in z njo manipuliramo s snovjo," pravi.
To bi lahko revolucioniralo elektroniko in pripeljalo do nove generacije optičnih računalnikov, ki so manjši in hitrejši od našega. "Elektrone lahko premikamo po lastni želji in s pomočjo svetlobe ustvarjamo električne tokove znotraj trdnih snovi in ne kot v običajni elektroniki."
Tu je še en način za opis svetlobe: to je instrument
Vendar nič novega. Življenje uporablja svetlobo že od takrat, ko so prvi primitivni organizmi razvili svetlobno občutljiva tkiva. Oči ljudi zajamejo fotone vidne svetlobe, z njimi preučujemo svet okoli. Sodobna tehnologija to idejo pelje še dlje. Leta 2014 so Nobelovo nagrado za kemijo podelili raziskovalcem, ki so zgradili tako močan svetlobni mikroskop, da je bil fizično nemogoč. Izkazalo se je, da nam lahko svetloba pokaže stvari, za katere smo mislili, da jih nikoli ne bomo videli.