Je okolo nás a umožňuje nám vidieť svet. Opýtajte sa však kohokoľvek z nás a väčšina nebude schopná vysvetliť, čo to svetlo v skutočnosti je. Svetlo nám pomáha pochopiť svet, v ktorom žijeme. Náš jazyk to odráža: v tme sa hýbeme dotykom, začíname vidieť svetlo spolu s nástupom úsvitu. A napriek tomu nie sme ďaleko od úplného pochopenia svetla. Ak priblížite lúč svetla, čo v ňom bude? Áno, svetlo sa pohybuje neuveriteľne rýchlo, ale nedá sa to použiť na cestovanie? A tak ďalej a tak ďalej.
To by samozrejme nemalo platiť. Svetlo lámalo hlavy po celé storočia, ale objavy za posledných 150 rokov postupne zdvihli závoj tajomstva nad týmto tajomstvom. Teraz viac-menej chápeme, čo to je.
Fyzici našej doby nielen chápu podstatu svetla, ale tiež sa ho snažia ovládať s nevídanou presnosťou - čo znamená, že svetlo sa dá veľmi skoro prinútiť pracovať tým najúžasnejším spôsobom. Z tohto dôvodu vyhlásila OSN rok 2015 za Medzinárodný rok svetla.
Svetlo je možné opísať rôznymi spôsobmi. Ale stojí za to začať týmto: svetlo je forma žiarenia (žiarenia). A toto porovnanie má zmysel. Vieme, že nadmerné slnečné žiarenie môže spôsobiť rakovinu kože. Vieme tiež, že ožarovanie vás môže vystaviť riziku vzniku niektorých foriem rakoviny; je ľahké nakresliť paralely.
Ale nie všetky formy žiarenia sú stvorené rovnako. Na konci 19. storočia vedci dokázali určiť presnú podstatu svetelného žiarenia. A najpodivnejšie je, že tento objav neprišiel zo štúdia svetla, ale vyšiel z desaťročí práce na povahe elektriny a magnetizmu.
Elektrina a magnetizmus sa javia ako úplne iné veci. Vedci ako Hans Christian Oersted a Michael Faraday však zistili, že sú hlboko prepletení. Oersted zistil, že elektrický prúd prechádzajúci drôtom vychyľuje ihlu magnetického kompasu. Faraday medzitým zistil, že pohyb magnetu v blízkosti drôtu môže generovať elektrický prúd v drôte.
Vtedajší matematici pomocou týchto pozorovaní vytvorili teóriu popisujúcu tento zvláštny nový jav, ktorý nazvali „elektromagnetizmus“. Ale iba James Clerk Maxwell bol schopný popísať celý obraz.
Maxwellov prínos pre vedu možno ťažko preceňovať. Albert Einstein, ktorého inšpiroval Maxwell, uviedol, že navždy zmenil svet. Jeho výpočty nám okrem iného pomohli pochopiť, čo je to svetlo.
Propagačné video:
Maxwell ukázal, že elektrické a magnetické polia sa pohybujú vo vlnách a tieto vlny sa pohybujú rýchlosťou svetla. To umožnilo Maxwellovi predpovedať, že samotné svetlo je nesené elektromagnetickými vlnami - čo znamená, že svetlo je forma elektromagnetického žiarenia.
Koncom 80. rokov 19. storočia, niekoľko rokov po Maxwellovej smrti, nemecký fyzik Heinrich Hertz ako prvý oficiálne preukázal, že Maxwellov teoretický koncept elektromagnetickej vlny je správny.
„Som si istý, že keby Maxwell a Hertz žili v ére Nobelovej ceny, určite by ju dostali,“hovorí Graham Hall z University of Aberdeen vo Veľkej Británii - kde Maxwell pracoval koncom 50. rokov 19. storočia.
Maxwell sa radí do letopisov svetelnej vedy z iného, praktickejšieho dôvodu. V roku 1861 predstavil prvú stabilnú farebnú fotografiu pomocou trojfarebného filtračného systému, ktorý položil základ mnohým formám farebnej fotografie súčasnosti.
Samotná fráza, že svetlo je formou elektromagnetického žiarenia, veľa nehovorí. Pomáha však opísať, čomu všetci rozumieme: svetlo je spektrum farieb. Toto pozorovanie sa vracia k práci Isaaca Newtona. Vidíme farebné spektrum v celej jeho sláve, keď na oblohe stúpa dúha - a tieto farby priamo súvisia s Maxwellovým konceptom elektromagnetických vĺn.
Červené svetlo na jednom konci dúhy je elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou 620 až 750 nanometrov; fialová farba na druhom konci je žiarenie s vlnovou dĺžkou 380 až 450 nm. Ale elektromagnetické žiarenie má viac ako viditeľné farby. Svetlo s vlnovou dĺžkou väčšou ako červená je to, čo nazývame infračervené. Svetlo s vlnovou dĺžkou kratšou ako fialová sa nazýva ultrafialové. Mnoho zvierat vidí v ultrafialovom svetle a niektorí ľudia tiež, hovorí Eleftherios Gulilmakis z Max Planck Institute for Quantum Optics v nemeckom Garchingu. V niektorých prípadoch ľudia dokonca vidia infračervené žiarenie. Možno to je dôvod, prečo nás neprekvapuje, že nazývame ultrafialové a infračervené formy svetla.
Je však zaujímavé, že ak sa vlnové dĺžky ešte zmenšia alebo predĺžia, prestaneme ich nazývať „svetlom“. Mimo ultrafialového žiarenia môžu byť elektromagnetické vlny kratšie ako 100 nm. Toto je oblasť röntgenových a gama lúčov. Počuli ste už o tom, že röntgenové lúče sa nazývajú formou svetla?
„Vedec nepovie:„ Presvetľujem objekt röntgenovým svetlom. “Povie „Používam röntgenové lúče,“hovorí Gulilmakis.
Medzitým sa okrem infračervených a elektromagnetických vlnových dĺžok vlny tiahnu až k 1 cm a dokonca až k tisícom kilometrov. Takéto elektromagnetické vlny sa nazývajú mikrovlnky alebo rádiové vlny. Niekomu sa môže zdať čudné vnímať rádiové vlny ako svetlo.
"Z rádia nie je veľký fyzický rozdiel medzi rádiovými vlnami a viditeľným svetlom," hovorí Gulilmakis. „Popíšeš ich rovnakými rovnicami a matematikou.“Iba naše každodenné vnímanie ich odlišuje.
Dostaneme teda inú definíciu svetla. Toto je veľmi úzky rozsah elektromagnetického žiarenia, ktoré vidia naše oči. Inými slovami, svetlo je subjektívne označenie, ktoré používame iba kvôli obmedzeniam našich zmyslov.
Ak chcete podrobnejšie dôkazy o tom, aké subjektívne je naše vnímanie farieb, spomeňte si na dúhu. Väčšina ľudí vie, že spektrum svetla obsahuje sedem základných farieb: červenú, oranžovú, žltú, zelenú, azúrovú, modrú a fialovú. Máme dokonca užitočné príslovia a porekadlá o poľovníkoch, ktorí chcú vedieť, kde je bažant. Pozri sa na peknú dúhu a skús vidieť všetkých sedem. Neuspel ani Newton. Vedci majú podozrenie, že vedec rozdelil dúhu do siedmich farieb, pretože pre staroveký svet bolo veľmi dôležité číslo „sedem“: sedem nôt, sedem dní v týždni atď.
Maxwellova práca na elektromagnetizme nás posunula o krok ďalej a ukázala, že viditeľné svetlo je súčasťou širokého spektra žiarenia. Jasná bola aj pravá podstata svetla. Vedci sa po celé storočia snažili pochopiť, aký tvar má svetlo v skutočnosti zásadný rozsah, keď sa pohybuje od zdroja svetla k našim očiam.
Niektorí verili, že svetlo sa pohybuje vo forme vĺn alebo vlniek, vzduchom alebo tajomným „éterom“. Iní si mysleli, že tento vlnový model je chybný a svetlo považovali za prúd drobných častíc. Newton sa priklonil k druhému názoru, najmä po sérii experimentov, ktoré uskutočnil so svetlom a zrkadlami.
Uvedomil si, že lúče svetla sa podriaďujú prísnym geometrickým pravidlám. Lúč svetla odrazený v zrkadle sa správa ako lopta vrhnutá priamo do zrkadla. Vlny nebudú nevyhnutne nasledovať tieto predvídateľné priame čiary, navrhol Newton, takže svetlo musí byť nesené nejakou formou drobných nehmotných častíc.
Problém je v tom, že existovali rovnako presvedčivé dôkazy o tom, že svetlo je vlna. Jedna z najjasnejších demonštrácií bola v roku 1801. Experiment s dvojitou štrbinou Thomasa Younga je v zásade možné vykonať nezávisle doma.
Vezmite list hrubého kartónu a opatrne v ňom nakrájajte dva tenké zvislé rezy. Potom vezmite „koherentný“zdroj svetla, ktorý bude vydávať svetlo iba s určitou vlnovou dĺžkou: laser bude v pohode. Potom nasmerujte svetlo na dve štrbiny tak, aby pri prechode dopadalo na druhý povrch.
Očakávali by ste, že na druhej ploche, kde svetlo prešlo štrbinami, uvidíte dve jasné zvislé čiary. Ale keď Jung urobil experiment, uvidel sled svetlých a tmavých čiar ako čiarový kód.
Keď svetlo prechádza tenkými štrbinami, správa sa ako vodné vlny, ktoré prechádzajú úzkym otvorom: rozptyľujú sa a šíria sa vo forme hemisférických vlniek.
Keď toto svetlo prejde dvoma štrbinami, každá vlna uhasí druhú a vytvorí tmavé škvrny. Keď sa vlnky zbiehajú, dopĺňa sa a vytvára jasné vertikálne čiary. Youngov experiment doslova potvrdil vlnový model, takže Maxwell dal túto myšlienku do solídnej matematickej formy. Svetlo je vlna.
Potom však došlo k kvantovej revolúcii
V druhej polovici devätnásteho storočia sa fyzici pokúsili zistiť, ako a prečo niektoré materiály absorbujú a emitujú elektromagnetické žiarenie lepšie ako iné. Stojí za zmienku, že odvetvie elektrického osvetlenia sa vtedy ešte len vyvíjalo, takže materiály, ktoré môžu vyžarovať svetlo, boli vážnou vecou.
Na konci devätnásteho storočia vedci zistili, že množstvo elektromagnetického žiarenia emitovaného objektom sa mení s jeho teplotou, a tieto zmeny zmerali. Nikto však nevedel, prečo sa to deje. V roku 1900 tento problém vyriešil Max Planck. Zistil, že výpočty môžu tieto zmeny vysvetliť, ale iba ak predpokladáme, že elektromagnetické žiarenie sa prenáša v malých samostatných častiach. Planck ich nazval „quanta“, množné číslo latinského „quantum“. O niekoľko rokov neskôr vzal Einstein svoje nápady ako základ a vysvetlil ďalší prekvapivý experiment.
Fyzici zistili, že kúsok kovu sa stane pozitívne nabitým, keď je ožiarený viditeľným alebo ultrafialovým svetlom. Tento efekt sa nazýval fotoelektrický.
Atómy v kovu stratili negatívne nabité elektróny. Zdá sa, že svetlo dodávalo kovu dostatok energie na to, aby uvoľnilo časť elektrónov. Prečo to ale elektróny urobili, nebolo jasné. Mohli niesť viac energie jednoduchou zmenou farby svetla. Najmä elektróny uvoľnené kovom ožiareným fialovým svetlom niesli viac energie ako elektróny uvoľnené kovom ožiareným červeným svetlom.
Keby bolo svetlo iba vlnou, bolo by to smiešne
Zvyčajne zmeníte množstvo energie vo vlne, čím sa zvýši - predstavte si veľké tsunami deštruktívnej sily - a nie dlhšie alebo kratšie. Všeobecnejšie povedané, najlepším spôsobom, ako zvýšiť energiu, ktorú svetlo prenáša na elektróny, je zvýšiť svetelnú vlnu: to znamená, aby bolo svetlo jasnejšie. Zmena vlnovej dĺžky, a teda ani svetla, by nemala mať veľký vplyv.
Einstein si uvedomil, že fotoelektrický efekt je ľahšie pochopiteľný, ak v terminológii Planckovej kvantity reprezentujete svetlo.
Navrhol, aby svetlo prenášali malé kvantové kúsky. Každé kvantum nesie časť diskrétnej energie spojenej s vlnovou dĺžkou: čím je vlnová dĺžka kratšia, tým je energia hustejšia. To by mohlo vysvetliť, prečo časti fialového svetla s relatívne krátkou vlnovou dĺžkou nesú viac energie ako relatívne dlhé časti červeného svetla.
Vysvetľovalo by to tiež dôvod, prečo jednoduché zvýšenie jasu svetla skutočne neovplyvní výsledok.
Jasnejšie svetlo dodáva kovu viac častí svetla, ale to nemení množstvo energie prenášanej každou časťou. Zhruba povedané, jedna časť fialového svetla môže preniesť viac energie na jeden elektrón ako veľa častí červeného svetla.
Einstein nazval tieto časti energetických fotónov a dnes sa považujú za základné častice. Viditeľné svetlo prenášajú fotóny a prenášajú sa aj ďalšie formy elektromagnetického žiarenia, ako sú röntgenové lúče, mikrovlnné a rádiové vlny. Inými slovami, svetlo je častica.
Týmto sa fyzici rozhodli ukončiť debatu o tom, z čoho sa skladá svetlo. Oba modely boli také presvedčivé, že nemalo zmysel jeden opustiť. Na prekvapenie mnohých nefyzikov sa vedci rozhodli, že svetlo sa chová ako častica a vlna súčasne. Inými slovami, svetlo je paradox.
Fyzici zároveň nemali problémy s rozdelenou osobnosťou svetla. Vďaka tomu bolo svetlo do istej miery dvojnásobne užitočné. Dnes, spoliehajúc sa na prácu svetiel v doslovnom zmysle slova - Maxwell a Einstein, vyžmýkame všetko zo svetla.
Ukázalo sa, že rovnice používané na opis svetelných vĺn a svetelných častíc fungujú rovnako dobre, ale v niektorých prípadoch je použitie jednej jednoduchšie ako druhej. Fyzici preto medzi nimi prepínajú, podobne ako používame metre na opísanie svojej vlastnej výšky, a ideme na kilometre s popisom jazdy na bicykli.
Niektorí fyzici sa snažia pomocou svetla vytvoriť šifrované komunikačné kanály, napríklad na prevody peňazí. Má pre nich zmysel myslieť na svetlo ako na častice. Je to spôsobené zvláštnou povahou kvantovej fyziky. Dve základné častice, napríklad dvojica fotónov, môžu byť „zapletené“. To znamená, že budú mať spoločné vlastnosti bez ohľadu na to, ako ďaleko od seba sú, takže sa dajú použiť na prenos informácií medzi dvoma bodmi na Zemi.
Ďalším znakom tohto zapletenia je, že kvantový stav fotónov sa pri ich čítaní mení. To znamená, že ak sa niekto pokúsi teoreticky odpočúvať šifrovaný kanál, okamžite zradí svoju prítomnosť.
Ostatné, napríklad Gulilmakis, používajú svetlo v elektronike. Zdá sa im užitočnejšie predstaviť si svetlo ako sériu vĺn, ktoré je možné skrotiť a ovládať. Moderné zariadenia nazývané syntetizátory svetelného poľa môžu navzájom spájať svetelné vlny v dokonalej synchronizácii. Vďaka tomu vytvárajú svetelné impulzy, ktoré sú intenzívnejšie, krátkodobejšie a smerovejšie ako svetlo z konvenčnej žiarovky.
Za posledných 15 rokov sa tieto zariadenia naučili používať na extrémne extrémne skrotenie svetla. V roku 2004 sa Gulilmakis a jeho kolegovia naučili, ako produkovať neuveriteľne krátke impulzy röntgenového žiarenia. Každý impulz trval iba 250 attosekúnd alebo 250 kvintiliónov sekúnd.
Pomocou týchto drobných impulzov, ako je blesk fotoaparátu, dokázali zachytiť obrazy jednotlivých vĺn viditeľného svetla, ktoré oscilujú oveľa pomalšie. Doslova fotili pohybujúce sa svetlo.
"Už od čias Maxwella sme vedeli, že svetlo je oscilujúce elektromagnetické pole, ale nikoho ani nenapadlo, že by sme mohli oscilačné svetlo fotografovať," hovorí Gulilmakis.
Pozorovanie týchto jednotlivých svetelných vĺn bolo podľa neho prvým krokom k manipulácii a úprave svetla, podobne ako pri zmene rádiových vĺn na prenos rádiových a televíznych signálov.
Pred sto rokmi fotoelektrický jav ukázal, že viditeľné svetlo ovplyvňuje elektróny v kovu. Gulilmakis hovorí, že by malo byť možné tieto elektróny presne ovládať pomocou vĺn viditeľného svetla upravených na interakciu s kovom presne definovaným spôsobom. "Môžeme manipulovať so svetlom a používať ho na manipuláciu s hmotou," hovorí.
To by mohlo spôsobiť revolúciu v elektronike a viesť k novej generácii optických počítačov, ktoré budú menšie a rýchlejšie ako naše. „Môžeme pohybovať elektrónmi, ako sa nám páči, vytváranie elektrických prúdov vo vnútri pevných látok pomocou svetla, a nie ako v bežnej elektronike.“
Toto je ďalší spôsob, ako opísať svetlo: je to nástroj
Avšak nič nové. Život používal svetlo odvtedy, čo si prvé primitívne organizmy vyvinuli tkanivá citlivé na svetlo. Oči ľudí zachytávajú fotóny viditeľného svetla, pomocou nich študujeme svet okolo. Moderná technológia posúva túto myšlienku ešte ďalej. V roku 2014 bola Nobelova cena za chémiu udelená vedcom, ktorí skonštruovali svetelný mikroskop taký silný, že sa to považovalo za fyzicky nemožné. Ukázalo sa, že keď sa pokúsime, svetlo nám môže ukázať veci, o ktorých sme si mysleli, že ich nikdy neuvidíme.