světlo nám umožňuje pochopit svět, ve kterém žijeme. Náš jazyk to odráží: po tápání ve tmě vidíme světlo a porozumění svítání.
přesto je světlo jednou z těch věcí, které nemáme tendenci chápat. Pokud byste měli přiblížit paprsek světla, co byste viděli? Jistě, světlo cestuje neuvěřitelně rychle, ale co to dělá cestování? Mnozí z nás by se snažili vysvětlit.
nemusí to tak být., Světlo má jistě zmatený největší mozky po staletí, ale památka objevů za posledních 150 let okraden světla z jeho tajemství. Vlastně víme, víceméně, co to je.
nejen, že dnešní fyzikové chápou povahu světla, oni se učí ovládat se stále větší přesností – což znamená, že světlo může být brzy dát do práce v překvapujícími způsoby. To je jedním z důvodů, proč Organizace spojených národů označila rok 2015 za Mezinárodní rok světla.
existují nejrůznější způsoby, jak popsat světlo., Ale mohlo by to pomoci začít s tím: světlo je forma záření.
vědci objevili přesnou identitu světelného záření
to snad dává nějaký smysl. Všichni víme, že příliš mnoho slunečního světla může vyvolat rakovinu kůže. Víme také, že radiační expozice může zvýšit riziko vzniku některých forem rakoviny, takže není těžké dát oba dohromady.
ale ne všechny formy záření jsou stejné., Až koncem devatenáctého století vědci objevili přesnou identitu světelného záření.
zvláštní je, že tento objev nepocházel ze studia světla. Místo toho se vynořil z desetiletí práce do povahy elektřiny a magnetismu.
Elektřina a magnetismus vypadají jako zcela odlišné věci. Vědci jako Hans Christian Oersted a Michael Faraday však zjistili, že jsou hluboce propleteni.
Oersted zjistil, že elektrický proud procházející drátem odvádí jehlu magnetického kompasu., Mezitím Faraday zjistil, že pohyb magnetu v blízkosti drátu může generovat elektrický proud v drátu.
Maxwell ukázal, že elektrické a magnetické pole cestování na způsob vlny,
Matematici na den nastavit o použití těchto připomínek vytvořit teorie popisující tento podivný nový fenomén, který se nazývá „elektromagnetismus“. Ale až když se James Clerk Maxwell podíval na problém, objevil se úplný obrázek.
Maxwellův příspěvek k vědě je obrovský., Albert Einstein, který byl inspirován Maxwellem, řekl, že navždy změnil svět. Jeho výpočty mimo jiné pomohly vysvětlit, co je světlo.
Maxwell ukázal, že elektrická a magnetická pole cestují způsobem vln a že tyto vlny se pohybují v podstatě rychlostí světla. To umožnilo Maxwellovi předpovědět, že samotné světlo bylo neseno elektromagnetickými vlnami – což znamená, že světlo je formou elektromagnetického záření.,
V pozdních 1880s, několik let po jeho smrti, německý fyzik Heinrich Hertz se stala první oficiálně prokázat, že Maxwell je teoretický pojem elektromagnetická vlna byla správná.
V roce 1861 se mu představila první odolný barevnou fotografii
„jsem přesvědčen, že kdyby Maxwell a Hertz žil do Nobelovu cenu éry, oni by určitě společná jedna,“ říká Graham Hall z University of Aberdeen ve velké BRITÁNII – kdy Maxwell pracoval v pozdních 1850s.,
Maxwell má místo v análech světelné vědy z jiného, praktičtějšího důvodu. V roce 1861 představil první odolnou barevnou fotografii, vyrobenou pomocí tříbarevného filtračního systému, který dodnes tvoří základ mnoha forem barevné fotografie.
myšlenka, že světlo je forma elektromagnetického záření, nemusí znamenat příliš mnoho. Tato myšlenka však pomáhá vysvětlit něco, čemu všichni rozumíme: světlo je spektrum barev.
toto je pozorování, které se vrací k práci Isaaca Newtona., Toto barevné spektrum vidíme v celé jeho kráse, kdykoli na obloze visí duha-a tyto barvy se vztahují přímo k Maxwellovu konceptu elektromagnetických vln.
Mnoho zvířat, můžete skutečně vidět, ultrafialové, a tak mohou někteří lidé
červená světla podél jednoho okraje duhy je elektromagnetické záření s vlnovou délkou asi 620 do 750 nanometrů, fialové světlo podél protější hrana je záření s vlnovou délkou 380 až 450nm.
ale elektromagnetického záření je mnohem více než těchto viditelných barev., Světlo s vlnovými délkami o něco delší než červené světlo, které vidíme, se nazývá infračervené. Světlo s vlnovými délkami o něco kratší než Fialová se nazývá ultrafialové.
mnoho zvířat může skutečně vidět ultrafialové záření, a také někteří lidé, říká Eleftherios Goulielmakis z Institutu kvantové optiky Maxe Plancka v Garchingu v Německu. Za určitých okolností je pro člověka vidět i infračervené záření. Možná proto není neobvyklé vidět jak ultrafialové, tak infračervené záření popsané jako formy světla.,
zvědavě však přejděte na ještě delší – nebo kratší – elektromagnetické vlnové délky a přestaneme používat slovo „světlo“.
mimo ultrafialové, elektromagnetické vlnové délky mohou jít kratší než 100Nm. Toto je oblast rentgenových paprsků a gama paprsků. Nebudete často slyšet rentgenové záření popsané jako forma světla.
Neexistuje žádný skutečný fyzický rozdíl mezi rádiové vlny a viditelné světlo
„vědcem bych neřekl,“ já „jsem zářící X-ray světlo na cíl‘. Řekli by „Používám rentgenové záření“, “ říká Goulielmakis.,
mezitím přesahují infračervené a elektromagnetické vlnové délky na 1 cm a dokonce až tisíce kilometrů. Tyto elektromagnetické vlny jsou uvedeny známá jména jako mikrovlny a rádiové vlny. Může se zdát divné myslet na rádiové vlny používané při vysílání jako světlo.
“ neexistuje žádný skutečný fyzický rozdíl mezi rádiovými vlnami a viditelným světlem z hlediska fyziky,“ říká Goulielmakis. „Popsal byste je přesně stejným druhem rovnic a matematiky.“Je to jen náš každodenní jazyk, který je považuje za odlišný.,
takže máme jinou definici světla. Je to velmi úzký rozsah elektromagnetického záření, který naše oči skutečně vidí. Jinými slovy, světlo je subjektivní označení, které používáme pouze proto, že naše smysly jsou omezené.
pro více důkazů o tom, jak subjektivní je náš koncept světla, Vzpomeňte si na duhu.
většina lidí se dozví, že spektrum světla obsahuje sedm hlavních barev: červenou, oranžovou, žlutou, zelenou, modrou, indigovou a fialovou. Dokonce jsme dostali šikovnou mnemotechniku a písně, abychom si je pamatovali.,
podívejte se na silnou duhu a pravděpodobně se můžete přesvědčit, že všech sedm barev je na výstavě. Nicméně, Newton sám se snažil vidět všechny.
vědci nyní mají podezření, že duhu rozdělil pouze na sedm barev, protože číslo sedm bylo ve starověkém světě tak významné: například v hudebním měřítku je sedm poznámek a sedm dní v týdnu.
Maxwellova práce na elektromagnetismu nás všechny překonala a ukázala, že viditelné světlo je součástí většího spektra záření. Zdálo se také, že konečně vysvětluje povahu světla.,
po staletí se vědci snažili zjistit skutečnou podobu, kterou světlo bere v základním měřítku, když cestuje ze světelného zdroje do našich očí.
Newton si uvědomil, že paprsky světla poslechl velmi přísných geometrických pravidel.
Někteří si mysleli, že světlo urazí v podobě vlny či vlnky, a to buď vzduchem nebo více mlhavé „éter“. Jiní si mysleli, že tento vlnový model je špatný a představovali si světlo jako proud malých částic.,
Newton upřednostňoval tuto druhou možnost, zejména po sérii experimentů, které provedl pomocí světla a zrcadel.
uvědomil si, že paprsky světla dodržovaly velmi přísná geometrická pravidla. Zářit paprsek proti zrcadlu a odrazil se přesně stejným způsobem míč by, kdyby to bylo hozeno proti zrcadlu. Vlny se nemusí nutně pohybovat v takových předvídatelných přímkách, zdůvodnil, takže světlo musí být neseno nějakou formou drobných, beztížných částic.
potíž je v tom, že existují stejně přesvědčivé důkazy, že světlo je vlna.,
jedna z nejslavnějších ukázek této události přišla v roce 1801. „Experiment s dvojitou štěrbinou“ Thomase Younga je druh experimentu, který může kdokoli replikovat doma.
vezměte list tlusté karty a opatrně přes něj vytvořte dvě tenké svislé štěrbiny. Pak se „connected“ zdroj světla, který produkuje pouze světlo určité vlnové délky: laser bude stačit. Nyní osvětlete světlo dvěma štěrbinami na jiný povrch.
na druhém povrchu můžete očekávat dvě jasné svislé čáry, kde část světla prošla dvěma štěrbinami., Ale když mladý provedl experiment, viděl posloupnost světlých a tmavých čar spíše jako čárový kód.
Když světlo prochází tenké štěrbiny, to se chová stejným způsobem, že voda vlny dělat, když se projít přes úzký otvor: oni odrážet a šíří se v podobě polokulovitých vlnky.
kde se „světelné vlnky“ ze dvou štěrbin vzájemně zasáhly z fáze, které se vyruší a vytvářejí tmavé pruhy. Tam, kde se vlnky ve fázi vzájemně zasáhly, přidávají dohromady jasné svislé čáry.,
Youngův experiment byl přesvědčivým důkazem vlnového modelu a Maxwellova práce dala myšlenku na solidní matematický základ. Světlo je vlna.
ale pak přišla kvantová revoluce.
V druhé polovině devatenáctého století, fyzikové se snaží pochopit, jak a proč některé materiály absorbováno a emitováno elektromagnetické záření lépe než ostatní.,
V roce 1900 Max Planck problém vyřešil,
To může znít trochu mezeru, ale elektrické světlo průmysl vznikal v době, takže materiály, které by mohly emitovat světlo byla velká věc.
na konci devatenáctého století, vědci zjistili, že množství elektromagnetického záření, vydané objektu měnit v závislosti na jeho teplotě, a oni se měří tyto změny. Ale nikdo nevěděl, proč se to stalo.
v roce 1900 Max Planck problém vyřešil., Zjistil, že výpočty by mohly tyto změny vysvětlit, ale pouze pokud předpokládal, že elektromagnetické záření bylo drženo v malých diskrétních paketech. Planck nazval tyto „kvanty“, množné číslo“kvantové“.
o několik let později Einstein použil tuto myšlenku k vysvětlení dalšího záhadného experimentu.
fyzici zjistili, že kus kovu se pozitivně nabije, když se koupe ve viditelném nebo ultrafialovém světle. Nazvali to „fotoelektrický efekt“.,
To nedává moc smysl, když světlo je prostě vlna
vysvětlení bylo, že atomy v kovu ztrácejí záporně nabité elektrony. Zdá se, že světlo dodalo kovu dostatek energie, aby některé z nich uvolnilo.
ale detail toho, co elektrony dělaly, byl lichý. Mohly by být vyrobeny tak, aby nesly více energie jednoduše změnou barvy světla. Zejména, elektrony uvolněné z kovu koupala v fialové světlo provádí více energie než elektrony uvolní kovové koupal v červené světlo.,
to nedává moc smysl, pokud je světlo jednoduše vlnou.
obvykle měníte množství energie ve vlně tím, že je vyšší-přemýšlejte o destruktivní síle vysoké tsunami-spíše než o tom, že samotná vlna bude delší nebo kratší.
Každý kvantové balení diskrétní energetické punč
Tím, že rozšíření, nejlepší způsob, jak ke zvýšení energie, který světlo převádí na elektrony by měly být tím, že světelné vlny vyšší: to je, takže světlo jasnější., Změna vlnové délky, a tím i barvy, by neměla mít takový rozdíl.
Einstein si uvědomil, že fotoelektrický efekt je snazší pochopit přemýšlením o světle z hlediska Planckovy kvanty.
navrhl, že světlo je neseno v malých kvantových paketech. Každé kvantum obsahuje diskrétní energetický punč, který se týká vlnové délky: čím kratší je vlnová délka, tím hustší je energetický punč. To by vysvětlovalo, proč fialové světelné pakety s relativně krátkou vlnovou délkou nesly více energie než balíčky červeného světla, s relativně delší.,
také vysvětlil, proč jednoduše zvýšení jasu světla způsobilo menší dopad.
jasnější světelný zdroj dodává kovu více světelných paketů, ale nemění množství energie, které každý Světelný paket obsahuje. Hrubě řečeno, jediný fialový Světelný paket by mohl přenášet více energie na jeden elektron než libovolný počet balíčků červeného světla.,
vědci Se rozhodli, že světlo se choval jako vlna a částice zároveň.
Einstein nazval tyto energetické pakety fotony, a ty jsou nyní uznávány jako základní částice. Viditelné světlo je neseno fotony, a tak jsou všechny ostatní druhy elektromagnetického záření, jako jsou rentgenové záření, mikrovlny a rádiové vlny. Jinými slovy, světlo je částice.
v tomto bodě se fyzici rozhodli ukončit debatu o tom, zda se světlo chová jako vlna nebo částice., Oba modely byly tak přesvědčivé, že ani jeden nemohl být odmítnut.
k záměně mnoha fyziků se vědci rozhodli, že světlo se chová jako vlna i částice současně. Jinými slovy, světlo je paradox.fyzici však nemají s rozdělenou identitou světla žádný problém. Pokud něco, to dělá světlo dvojnásob užitečné. Dnes, na základě práce svítidel-doslova „světelných dárců“ – jako Maxwell a Einstein, vytlačujeme ještě více ze světla.,
ukazuje se, že rovnice používané k popisu světla jako vlny a světla jako částice fungují stejně dobře, ale za určitých okolností je jednodušší použít než druhá. Takže fyzici přepínat mezi nimi, stejně tak, jako používáme metrů popsat naše vlastní výšky, ale přepnout na km popsat jízdu na kole.
provázaných částic může být používán ke sdělování informací
Někteří fyzikové se snaží využít světlo pro vytvoření šifrované komunikační kanály: pro převody peněz, například., Pro ně má smysl myslet na světlo jako na částice.
je to kvůli dalšímu podivnému vtípku kvantové fyziky. Dvě základní částice, jako pár fotonů, mohou být „zapleteny“. To znamená, že sdílejí vlastnosti bez ohledu na to, jak daleko jsou od sebe navzájem, takže je lze použít ke komunikaci informací mezi dvěma body na Zemi.
Dalším rysem tohoto zapletení je to, že kvantový stav fotonů se mění, když jsou čteny., To znamená, že pokud se někdo pokusil odposlouchávat kanál šifrovaný pomocí kvantových vlastností světla, teoreticky by okamžitě zradil svou přítomnost.
ostatní, jako Goulielmakis, používají světlo v elektronice. Pro ně je mnohem užitečnější myslet na světlo jako na řadu vln, které lze zkrotit a ovládat.
moderní zařízení s názvem „syntetizátory světelného pole“ mohou ohradit světelné vlny do dokonalé synchronizace mezi sebou. V důsledku toho vytvářejí světelné impulsy, které jsou mnohem intenzivnější, krátkodobější a směrovanější než světlo z obyčejné žárovky.,
doslova fotil světelné vlny pohybují
v Průběhu posledních 15 let, tyto prostředky byly použity zkrotit světlo mimořádnou míru.
v roce 2004 se Goulielmakisovi a jeho kolegům podařilo vytvořit neuvěřitelně krátké pulzy rentgenového záření. Každý puls trval jen 250 attosekund, nebo 250 quintilliontin sekundy.
pomocí těchto drobných impulzů jako blesk fotoaparátu se jim podařilo zachytit snímky jednotlivých vln viditelného světla, které oscilují spíše pomaleji. Doslova fotografovali světelné vlny pohybující se.,
“ od Maxwella víme, že světlo je oscilační elektromagnetické pole, ale nikdo nesnil, že budeme schopni zachytit světlo, jak osciluje,“ říká Goulielmakis.
Viděl ty jednotlivé světelné vlny je první krok k ovládání a sochařství je, říká, stejně jako jsme již vyřezávat mnohem delší elektromagnetické vlny, jako rádiové vlny, které nesou radiové a televizní signály.
před sto lety fotoelektrický efekt ukázal, že viditelné světlo ovlivňuje elektrony v kovu., Goulielmakis říká, že by mělo být možné přesně manipulovat s elektrony, pomocí viditelného světla vln, které byly tvarované pro interakci s kovy v pečlivě definovaným způsobem. „Můžeme ovládat světlo a skrze něj můžeme ovládat hmotu,“ říká.
Lidské oči jsou fotonové detektory, které používají viditelné světlo se dozvědět o světě kolem nás,
To může být revoluce v elektronice, což vede k nové generaci optických počítačů, které jsou menší a rychlejší než ty, které máme dnes., „Je to o nastavení elektronů v pohybu způsobem, který chceme, vytváření elektrických proudů uvnitř pevných látek pomocí světla, namísto konvenční elektroniky.“
takže je ještě jeden způsob, jak lze popsat světlo: světlo je nástroj.
to není nic nového. Život využívá světlo od doby, kdy první primitivní organismy vyvinuly světlo citlivé tkáně. Lidské oči jsou fotonové detektory, které používají viditelné světlo, aby se dozvěděli o světě kolem nás.
moderní technologie tuto myšlenku jednoduše posouvá ještě dále., V roce 2014 byla Nobelova cena za chemii udělena vědcům, kteří postavili světelný mikroskop tak silný, že byl považován za fyzicky nemožný. Ukázalo se, že s trochou přesvědčování nám světlo ukáže věci, o kterých jsme si mysleli, že nikdy neuvidíme.