Jest wokół nas i pozwala nam widzieć świat. Ale zapytaj kogokolwiek z nas, a większość nie będzie w stanie wyjaśnić, czym naprawdę jest to światło. Światło pomaga nam zrozumieć świat, w którym żyjemy. Nasz język to odzwierciedla: w ciemności poruszamy się dotykiem, zaczynamy widzieć światło wraz z nadejściem świtu. A jednak daleko nam do pełnego zrozumienia światła. Jeśli przybliżysz promień światła, co w nim będzie? Tak, światło porusza się niesamowicie szybko, ale czy nie można go używać do podróży? I tak dalej i tak dalej.
Oczywiście nie powinno tak być. Światło od wieków intryguje najlepsze umysły, ale przełomowe odkrycia w ciągu ostatnich 150 lat stopniowo podniosły zasłonę tajemnicy na tę tajemnicę. Teraz mniej więcej rozumiemy, co to jest.
Fizycy naszych czasów nie tylko rozumieją naturę światła, ale także starają się nim sterować z niespotykaną dotąd precyzją - co oznacza, że już wkrótce światło będzie działało w najbardziej niesamowity sposób. Z tego powodu Organizacja Narodów Zjednoczonych ogłosiła rok 2015 Międzynarodowym Rokiem Światła.
Światło można opisać na wiele sposobów. Ale warto zacząć od tego: światło jest formą promieniowania (promieniowaniem). I to porównanie ma sens. Wiemy, że nadmiar światła słonecznego może powodować raka skóry. Wiemy również, że narażenie na promieniowanie może narazić Cię na ryzyko niektórych form raka; łatwo jest narysować podobieństwa.
Ale nie wszystkie formy promieniowania są sobie równe. Pod koniec XIX wieku naukowcom udało się dokładnie określić istotę promieniowania świetlnego. A najdziwniejsze jest to, że odkrycie to nie pochodziło z badań światła, ale z dziesięcioleci prac nad naturą elektryczności i magnetyzmu.
Elektryczność i magnetyzm wydają się być zupełnie innymi rzeczami. Jednak naukowcy tacy jak Hans Christian Oersted i Michael Faraday odkryli, że są ze sobą głęboko powiązane. Oersted odkrył, że prąd elektryczny przepływający przez drut odchyla igłę kompasu magnetycznego. W międzyczasie Faraday odkrył, że przesuwanie magnesu w pobliżu drutu może generować prąd elektryczny w przewodzie.
Tamtejsi matematycy wykorzystali te obserwacje do stworzenia teorii opisującej to dziwne nowe zjawisko, które nazwali „elektromagnetyzmem”. Ale tylko James Clerk Maxwell był w stanie opisać cały obraz.
Trudno przecenić wkład Maxwella w naukę. Albert Einstein, którego inspiracją był Maxwell, powiedział, że zmienił świat na zawsze. Jego obliczenia pomogły nam między innymi zrozumieć, czym jest światło.
Film promocyjny:
Maxwell wykazał, że pola elektryczne i magnetyczne przemieszczają się w postaci fal, a fale te poruszają się z prędkością światła. To pozwoliło Maxwellowi przewidzieć, że samo światło jest przenoszone przez fale elektromagnetyczne - co oznacza, że światło jest formą promieniowania elektromagnetycznego.
Pod koniec lat osiemdziesiątych XIX wieku, kilka lat po śmierci Maxwella, niemiecki fizyk Heinrich Hertz jako pierwszy oficjalnie wykazał, że teoretyczna koncepcja fali elektromagnetycznej Maxwella była poprawna.
„Jestem pewien, że gdyby Maxwell i Hertz żyli w epoce Nagrody Nobla, na pewno by ją dostali” - mówi Graham Hall z Uniwersytetu w Aberdeen w Wielkiej Brytanii - gdzie Maxwell pracował pod koniec lat 50.
Maxwell figuruje w annałach nauki o świetle z innego, bardziej praktycznego powodu. W 1861 roku zaprezentował pierwszą stabilną kolorową fotografię wykorzystującą trójkolorowy system filtrów, który położył podwaliny pod wiele form fotografii kolorowej.
Samo stwierdzenie, że światło jest formą promieniowania elektromagnetycznego, niewiele mówi. Ale pomaga opisać to, co wszyscy rozumiemy: światło to spektrum kolorów. Ta obserwacja sięga do pracy Izaaka Newtona. Widzimy spektrum kolorów w całej okazałości, gdy tęcza unosi się na niebie - a te kolory są bezpośrednio związane z koncepcją fal elektromagnetycznych Maxwella.
Czerwone światło na jednym końcu tęczy to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 620 do 750 nanometrów; kolor fioletowy na drugim końcu to promieniowanie o długości fali od 380 do 450 nm. Ale promieniowanie elektromagnetyczne to nie tylko widzialne kolory. Światło o długości fali dłuższej niż czerwona nazywamy podczerwienią. Światło o długości fali krótszej niż fiolet nazywamy ultrafioletem. Wiele zwierząt może widzieć w świetle ultrafioletowym, a niektórzy także widzą, mówi Eleftherios Gulilmakis z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka w Garching w Niemczech. W niektórych przypadkach ludzie widzą nawet podczerwień. Być może dlatego nie dziwimy się, że nazywamy ultrafioletowe i podczerwone formy światła.
Co jednak ciekawe, jeśli długości fal stają się jeszcze krótsze lub dłuższe, przestajemy nazywać je „światłem”. Poza ultrafioletem fale elektromagnetyczne mogą być krótsze niż 100 nm. To jest królestwo promieni rentgenowskich i promieni gamma. Czy kiedykolwiek słyszałeś o określaniu promieni rentgenowskich formą światła?
„Naukowiec nie powie:„ Prześwietlam obiekt światłem rentgenowskim”. Powie: „Używam promieni rentgenowskich” - mówi Gulilmakis.
Tymczasem poza falami podczerwonymi i elektromagnetycznymi fale rozciągają się do 1 cm, a nawet do tysięcy kilometrów. Takie fale elektromagnetyczne nazywane są mikrofalami lub falami radiowymi. Niektórym może wydawać się dziwne postrzeganie fal radiowych jako światła.
„Nie ma dużej fizycznej różnicy między falami radiowymi a światłem widzialnym pod względem fizycznym” - mówi Gulilmakis. „Opiszesz je za pomocą tych samych równań i matematyki”. Wyróżnia je tylko nasza codzienna percepcja.
W ten sposób otrzymujemy inną definicję światła. To bardzo wąski zakres promieniowania elektromagnetycznego, które widzą nasze oczy. Innymi słowy, światło jest subiektywną etykietą, której używamy tylko ze względu na ograniczenia naszych zmysłów.
Jeśli chcesz uzyskać bardziej szczegółowe dowody na to, jak subiektywne jest nasze postrzeganie koloru, pomyśl o tęczy. Większość ludzi wie, że widmo światła zawiera siedem podstawowych kolorów: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, cyjan, niebieski i fioletowy. Mamy nawet przydatne przysłowia i powiedzenia o myśliwych, którzy chcą wiedzieć, gdzie jest bażant. Spójrz na ładną tęczę i spróbuj zobaczyć wszystkie siedem. Nawet Newtonowi się nie udało. Naukowcy podejrzewają, że naukowiec podzielił tęczę na siedem kolorów, ponieważ liczba „siedem” była bardzo ważna dla starożytnego świata: siedem nut, siedem dni w tygodniu itp.
Praca Maxwella nad elektromagnetyzmem posunęła nas o krok dalej i pokazała, że światło widzialne jest częścią szerokiego spektrum promieniowania. Wyjaśniła się również prawdziwa natura światła. Od stuleci naukowcy próbują zrozumieć, jaką formę przybiera światło na fundamentalną skalę, kiedy przemieszcza się od źródła światła do naszych oczu.
Niektórzy wierzyli, że światło porusza się w postaci fal lub zmarszczek, w powietrzu lub w tajemniczym „eterze”. Inni myśleli, że ten model fal jest wadliwy i uważali, że światło to strumień drobnych cząstek. Newton skłaniał się ku tej drugiej opinii, zwłaszcza po serii eksperymentów, które przeprowadził ze światłem i lustrami.
Zdał sobie sprawę, że promienie światła podlegają ścisłym regułom geometrycznym. Promień światła odbity w lustrze zachowuje się jak piłka rzucona bezpośrednio w lustro. Fale niekoniecznie będą przebiegać po tych przewidywalnych liniach prostych, zasugerował Newton, więc światło musi być przenoszone przez jakąś formę drobnych, bezmasowych cząstek.
Problem polega na tym, że istnieją równie przekonujące dowody na to, że światło jest falą. Jeden z najwyraźniejszych tego demonstracji miał miejsce w 1801 roku. Doświadczenie Thomasa Younga z podwójną szczeliną można w zasadzie przeprowadzić samodzielnie w domu.
Weź arkusz grubego kartonu i ostrożnie wytnij w nim dwa cienkie pionowe nacięcia. Następnie weź „spójne” źródło światła, które będzie emitować tylko światło o określonej długości fali: laser jest w porządku. Następnie skieruj światło na dwie szczeliny tak, aby po przejściu padło na drugą powierzchnię.
Można się spodziewać, że na drugiej powierzchni, w miejscu, w którym światło przeszło przez szczeliny, zobaczysz dwie jasne pionowe linie. Ale kiedy Jung przeprowadził eksperyment, zobaczył sekwencję jasnych i ciemnych linii, takich jak kod kreskowy.
Kiedy światło przechodzi przez cienkie szczeliny, zachowuje się jak fale wodne przechodzące przez wąski otwór: rozpraszają się i rozprzestrzeniają w postaci półkulistych zmarszczek.
Kiedy to światło przechodzi przez dwie szczeliny, każda fala gasi drugą, tworząc ciemne plamy. Kiedy zmarszczki się zbiegają, uzupełnia się, tworząc jasne pionowe linie. Eksperyment Younga dosłownie potwierdził model falowy, więc Maxwell ujął pomysł w solidną matematyczną formę. Światło to fala.
Ale potem była rewolucja kwantowa
W drugiej połowie XIX wieku fizycy próbowali dowiedzieć się, w jaki sposób i dlaczego niektóre materiały absorbują i emitują promieniowanie elektromagnetyczne lepiej niż inne. Należy zauważyć, że wtedy przemysł oświetlenia elektrycznego dopiero się rozwijał, więc materiały, które mogą emitować światło, były poważną sprawą.
Pod koniec XIX wieku naukowcy odkryli, że ilość promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez obiekt zmienia się wraz z jego temperaturą i dokonali pomiaru tych zmian. Ale nikt nie wiedział, dlaczego tak się dzieje. W 1900 roku Max Planck rozwiązał ten problem. Odkrył, że obliczenia mogą wyjaśnić te zmiany, ale tylko wtedy, gdy przyjmiemy, że promieniowanie elektromagnetyczne jest transmitowane w małych dyskretnych częściach. Planck nazwał je „quantami”, liczbą mnogą od łacińskiego „quantum”. Kilka lat później Einstein wziął swoje pomysły jako podstawę i wyjaśnił inny zaskakujący eksperyment.
Fizycy odkryli, że kawałek metalu zostaje naładowany dodatnio, gdy jest naświetlany światłem widzialnym lub ultrafioletowym. Efekt ten nazwano fotoelektrycznym.
Atomy w metalu straciły ujemnie naładowane elektrony. Najwyraźniej światło dostarczyło metalowi wystarczającą ilość energii, aby uwolnić część elektronów. Ale dlaczego elektrony to zrobiły, nie było jasne. Mogły przenosić więcej energii, po prostu zmieniając kolor światła. W szczególności elektrony uwolnione przez metal napromieniowany światłem fioletowym przenosiły więcej energii niż elektrony uwolnione przez metal napromieniowany światłem czerwonym.
Gdyby światło było tylko falą, byłoby to śmieszne
Zwykle zmieniasz ilość energii w fali, zwiększając ją - wyobraź sobie wysokie tsunami o niszczycielskiej sile - zamiast dłuższej lub krótszej. Mówiąc szerzej, najlepszym sposobem na zwiększenie energii przenoszonej przez światło do elektronów jest podniesienie fali świetlnej, czyli rozjaśnienie światła. Zmiana długości fali, a tym samym światła, nie powinna była mieć większego znaczenia.
Einstein zdał sobie sprawę, że efekt fotoelektryczny jest łatwiejszy do zrozumienia, jeśli reprezentujesz światło w terminologii kwantów Plancka.
Zasugerował, że światło jest przenoszone przez maleńkie cząsteczki kwantowe. Każdy kwant przenosi część dyskretnej energii związanej z długością fali: im krótsza długość fali, tym gęstsza energia. To może wyjaśniać, dlaczego stosunkowo krótkie części fal światła fioletowego przenoszą więcej energii niż stosunkowo długie części światła czerwonego.
To wyjaśniałoby również, dlaczego zwykłe zwiększenie jasności światła tak naprawdę nie wpływa na wynik.
Jaśniejsze światło dostarcza więcej porcji światła do metalu, ale nie zmienia to ilości energii przenoszonej przez każdą porcję. Z grubsza mówiąc, jedna porcja światła fioletowego może przekazać więcej energii jednemu elektronowi niż wiele porcji światła czerwonego.
Einstein nazwał te części fotonów energii i są obecnie rozpoznawane jako cząstki podstawowe. Światło widzialne jest przenoszone przez fotony, a także inne formy promieniowania elektromagnetycznego, takie jak promieniowanie rentgenowskie, mikrofale i fale radiowe. Innymi słowy, światło jest cząstką.
Tym samym fizycy postanowili zakończyć debatę na temat tego, z czego zrobione jest światło. Oba modele były na tyle przekonujące, że nie było sensu porzucać jednego. Ku zaskoczeniu wielu niefizyków naukowcy zdecydowali, że światło zachowuje się jednocześnie jak cząstka i fala. Innymi słowy, światło to paradoks.
Jednocześnie fizycy nie mieli problemów z rozdwojoną osobowością światła. W pewnym stopniu sprawiło to, że światło stało się podwójnie przydatne. Dziś, opierając się na pracy luminarzy w dosłownym tego słowa znaczeniu - Maxwella i Einsteina - wyciskamy wszystko ze światła.
Okazuje się, że równania używane do opisu fali świetlnej i cząstki światła działają równie dobrze, ale w niektórych przypadkach jedno jest łatwiejsze w użyciu niż drugie. Dlatego fizycy przełączają się między nimi, podobnie jak my używamy metrów do opisania własnego wzrostu, a do kilometrów podajemy jazdę na rowerze.
Niektórzy fizycy próbują wykorzystać światło do stworzenia zaszyfrowanych kanałów komunikacyjnych, na przykład do przelewów pieniężnych. Myślenie o świetle jako cząstkach ma sens. Wynika to z dziwnej natury fizyki kwantowej. Dwie podstawowe cząstki, jak para fotonów, mogą zostać „splątane”. Oznacza to, że będą one miały wspólne właściwości bez względu na to, jak daleko się od siebie znajdują, więc można ich używać do przesyłania informacji między dwoma punktami na Ziemi.
Inną cechą tego splątania jest to, że stan kwantowy fotonów zmienia się, gdy są odczytywane. Oznacza to, że jeśli ktoś spróbuje podsłuchać zaszyfrowany kanał, w teorii, natychmiast zdradzi swoją obecność.
Inni, jak Gulilmakis, używają światła w elektronice. Uważają, że bardziej przydatne jest wyobrażenie sobie światła jako serii fal, które można oswoić i kontrolować. Nowoczesne urządzenia zwane „syntezatorami pola światła” mogą łączyć fale świetlne w doskonałej synchronizacji ze sobą. W rezultacie wytwarzają impulsy światła, które są bardziej intensywne, krótkotrwałe i bardziej kierunkowe niż światło z konwencjonalnej lampy.
W ciągu ostatnich 15 lat urządzenia te nauczyły się być używane do ekstremalnego ujarzmiania światła. W 2004 roku Gulilmakis i jego koledzy nauczyli się wytwarzać niewiarygodnie krótkie impulsy promieniowania rentgenowskiego. Każdy impuls trwał tylko 250 attosekund, czyli 250 trylionów sekund.
Używając tych małych impulsów jak lampy błyskowej aparatu, byli w stanie uchwycić obrazy pojedynczych fal światła widzialnego, które oscylują znacznie wolniej. Dosłownie robili zdjęcia ruchomego światła.
„Od czasów Maxwella wiedzieliśmy, że światło jest oscylującym polem elektromagnetycznym, ale nikt nawet nie pomyślał, że możemy robić zdjęcia oscylującego światła” - mówi Gulilmakis.
Obserwowanie tych pojedynczych fal światła było pierwszym krokiem do manipulowania i modyfikowania światła, mówi, podobnie jak zmieniamy fale radiowe, aby przenosiły sygnały radiowe i telewizyjne.
Sto lat temu efekt fotoelektryczny pokazał, że światło widzialne wpływa na elektrony w metalu. Gulilmakis twierdzi, że powinno być możliwe precyzyjne kontrolowanie tych elektronów za pomocą widzialnych fal świetlnych zmodyfikowanych tak, aby oddziaływały z metalem w dobrze zdefiniowany sposób. „Możemy manipulować światłem i używać go do manipulowania materią” - mówi.
Może to zrewolucjonizować elektronikę i doprowadzić do nowej generacji komputerów optycznych, które będą mniejsze i szybsze niż nasze. „Możemy przesuwać elektrony, jak nam się podoba, wytwarzając prądy elektryczne wewnątrz ciał stałych za pomocą światła, a nie jak w zwykłej elektronice”.
Oto inny sposób opisania światła: to instrument
Jednak nic nowego. Życie używa światła od czasu, gdy pierwsze prymitywne organizmy rozwinęły wrażliwe na światło tkanki. Oczy ludzi wychwytują fotony światła widzialnego, używamy ich do badania otaczającego nas świata. Nowoczesna technologia idzie jeszcze dalej. W 2014 roku Nagroda Nobla w dziedzinie chemii została przyznana naukowcom, którzy zbudowali mikroskop świetlny tak potężny, że uznano go za fizycznie niemożliwy. Okazało się, że jeśli spróbujemy, światło może pokazać nam rzeczy, o których myśleliśmy, że nigdy nie zobaczymy.