lys er det, der giver os mulighed for at forstå den verden, vi lever i. Vores sprog afspejler dette: efter at have gropet i mørket ser vi lyset og forståelsen daggry.
alligevel er lys en af de ting, som vi ikke har tendens til at forstå. Hvis du zoomer ind på en lysstråle, hvad ville du så se? Jo da, lys rejser utroligt hurtigt, men hvad er det, der gør rejsen? Mange af os ville kæmpe for at forklare.
det behøver ikke at være sådan., Lys har bestemt forundret de største sind i århundreder, men skelsættende opdagelser foretaget i løbet af de sidste 150 år har frarøvet lyset af dets mysterium. Vi ved faktisk, mere eller mindre, hvad det er.
ikke kun forstår nutidens fysikere lysets natur, de lærer at kontrollere det med stadig større præcision-hvilket betyder, at lys snart kunne sættes i arbejde på overraskende nye måder. Det er en del af grunden til, at FN udpegede 2015 som det internationale lysår.
Der er alle mulige måder at beskrive lys på., Men det kan hjælpe med at begynde med dette: lys er en form for stråling.
Det var ikke før slutningen af det nittende århundrede, at forskere opdagede den nøjagtige identitet af lys-stråling
Dette forhåbentlig giver mening. Vi ved alle, at for meget sollys kan udløse hudkræft. Vi ved også, at strålingseksponering kan øge risikoen for at udvikle nogle former for kræft, så det er ikke svært at sætte de to sammen.
men ikke alle former for stråling er de samme., Det var først i slutningen af det nittende århundrede, at forskere opdagede den nøjagtige identitet af lysstråling.
den underlige ting er, denne opdagelse kom ikke fra studiet af lys. I stedet kom det ud af årtiers arbejde med elektricitet og magnetisme.
elektricitet og magnetisme virker som helt forskellige ting. Men forskere som Hans Christian Ørsted og Michael Faraday konstaterede, at de er dybt sammenflettet.Oersted fandt, at en elektrisk strøm, der passerer gennem en ledning, afbøjer nålen i et magnetisk kompas., I mellemtiden opdagede Faraday, at flytning af en magnet nær en ledning kan generere en elektrisk strøm i ledningen.
Maxwell viste, at elektriske og magnetiske felter rejse i den måde bølger
Matematikere i dag om at bruge disse observationer til at skabe en teori, der beskriver denne mærkelige nye fænomen, som de kaldte “elektromagnetisme”. Men det var først, før James Clerk Ma..ell kiggede på problemet, at der opstod et komplet billede.
Ma..ells Bidrag til videnskaben er enormt., Albert Einstein, der blev inspireret af Ma..ell, sagde, at han ændrede verden for evigt. Blandt mange andre ting hjalp hans beregninger med at forklare, hvad lys er.
Ma..ell viste, at elektriske og magnetiske felter bevæger sig som bølger, og at disse bølger bevæger sig i det væsentlige ved lysets hastighed. Dette gjorde det muligt for Ma..ell at forudsige, at selve lyset blev båret af elektromagnetiske bølger – hvilket betyder, at lys er en form for elektromagnetisk stråling.,
I slutningen af 1880’erne, få år efter at Maxwell ‘s død, den tyske fysiker Heinrich Hertz blev den første til formelt at vise, at Maxwell’ s teoretiske koncept af den elektromagnetiske bølge var korrekt.
I 1861 han afslørede den første holdbar farve fotografi
“jeg er overbevist om, at hvis Maxwell og Hertz havde levet i Nobelprisen æra, ville de har helt sikkert delt en,” siger Graham Hall fra University of Aberdeen, UK – hvor Maxwell arbejdede i slutningen af 1850’erne.,
Ma..ell har en plads i annals of light science af en anden, mere praktisk grund. I 1861 afslørede han det første holdbare farvefotografi, produceret ved hjælp af et trefarvet filtersystem, der stadig danner grundlaget for mange former for farvefotografering i dag.
tanken om, at lys er en form for elektromagnetisk stråling, betyder måske ikke for meget. Men denne ID.hjælper med at forklare noget, som vi alle forstår: lys er et spektrum af farver.
Dette er en observation, der går tilbage til Isaac ne .tons arbejde., Vi ser dette farvespektrum i al sin pragt, når en regnbue hænger på himlen – og disse farver relaterer sig direkte til Ma..ells koncept om elektromagnetiske bølger.
Mange dyr rent faktisk kan se ultraviolet lys, og så kan nogle mennesker
Det røde lys langs den ene kant af regnbuen er elektromagnetisk stråling med en bølgelængde på omkring 620 750 nanometer; den violette lys langs den modsatte kant er stråling med en bølgelængde på 380 til 450nm.
men der er langt mere til elektromagnetisk stråling end disse synlige farver., Lys med bølgelængder lidt længere end det røde lys, Vi ser, kaldes infrarødt. Lys med bølgelængder lidt kortere end violet kaldes ultraviolet.
mange dyr kan faktisk se ultraviolet, og det kan nogle mennesker også, siger Eleftherios Goulielmakis fra Ma.Planck Institute of Quantumuantum Optics i Garching, Tyskland. Under nogle omstændigheder er selv infrarød synlig for mennesker. Måske er det derfor, det ikke er ualmindeligt at se både ultraviolet og infrarød beskrevet som former for lys.,
mærkeligt, gå dog til endnu længere – eller kortere – elektromagnetiske bølgelængder, og vi holder op med at bruge ordet “lys”.
ud over ultraviolet kan elektromagnetiske bølgelængder gå kortere end 100 nm. Dette er realm af røntgenstråler og gammastråler. Du vil ikke ofte høre røntgenstråler beskrevet som en form for lys.
Der er ingen reel fysisk forskel mellem radiobølger og synligt lys
“En videnskabsmand ville sige, ‘jeg er skinnende X-ray lys på mål’. De ville sige ‘Jeg bruger røntgenstråler’, ” siger Goulielmakis.,
i mellemtiden, gå ud over infrarød og elektromagnetisk bølgelængde strækker sig til 1 cm og endda op til tusinder af kilometer. Disse elektromagnetiske bølger får kendte navne som mikrobølger og radiobølger. Det kan virke underligt at tænke på de radiobølger, der bruges til udsendelse som lys.
“Der er ingen reel fysisk forskel mellem radiobølger og synligt lys ud fra fysikens synspunkt,” siger Goulielmakis. “Du ville beskrive dem med nøjagtig den samme slags ligninger og matematik.”Det er kun vores daglige sprog, der behandler dem som forskellige.,
så vi har en anden definition af lys. Det er det meget snævre område af elektromagnetisk stråling, som vores øjne faktisk kan se. Med andre ord er lys en subjektiv etiket, som vi kun bruger, fordi vores sanser er begrænsede.
For mere bevis på, hvor subjektivt vores lysbegreb er, tænk tilbage på regnbuen.de fleste mennesker lærer, at lysspektret indeholder syv hovedfarver: rød, orange, gul, grøn, blå, indigo og violet. Vi får endda handy mnemonics og sange til at huske dem.,
kig på en stærk regnbue, og du kan sikkert overbevise dig selv om, at alle syv farver er på udstilling. Imidlertid kæmpede ne .ton selv for at se dem alle.
faktisk, at forskere nu har mistanke om, at han kun opdelt regnbuen i syv farver, fordi tallet syv var så væsentlig i den antikke verden: for eksempel er der syv toner i en musikalsk skala, og syv dage i en uge.
Maxwell ‘ s arbejde med elektromagnetisme tog os forbi alt dette, og viste, at synligt lys var en del af et større spektrum af stråling. Det syntes også endelig at forklare lysets natur.,
i århundreder havde forskere forsøgt at fastlægge den faktiske form, som lyset tager i en grundlæggende skala, når det rejser fra en lyskilde til vores øjne.
Newton indså, at stråler af lys adlød meget strenge geometriske regler
Nogle mente, at det lys, der rejste i form af bølger eller krusninger, enten gennem luften eller et mere tåget “æter”. Andre troede, at denne bølgemodel var forkert og forestillede sig lys som en strøm af små partikler.,
ne .ton foretrak denne anden mulighed, især efter en række eksperimenter, han udførte ved hjælp af lys og spejle.
han indså, at stråler af lys adlød meget strenge geometriske regler. Shine en stråle mod et spejl, og det prellede ud på nøjagtig samme måde en bold ville, hvis det blev kastet mod spejlet. Bølger bevæger sig ikke nødvendigvis i sådanne forudsigelige lige linjer, begrundede han, så lys skal bæres af en form for små, vægtløse partikler.
problemet er, at der var lige så overbevisende bevis for, at lys er en bølge.,
en af de mest berømte demonstrationer af dette kom i 1801. Thomas Youngs “double slit e .periment” er den slags eksperiment, som alle kan replikere derhjemme.
Tag et ark tykt kort og lav forsigtigt to tynde lodrette spalter gennem det. Få derefter en” sammenhængende ” lyskilde, der kun producerer lys med en bestemt bølgelængde: en laser klarer sig pænt. Lys nu lyset gennem de to spalter på en anden overflade.
På den anden overflade kan du forvente at se to lyse lodrette linjer, hvor noget af lyset er passeret gennem de to slidser., Men da Young udførte eksperimentet, så han en række lyse og mørke linjer snarere som en stregkode.
Når lyset passerer gennem de tynde slidser, opfører det sig på samme måde som vandbølger gør, når de passerer gennem en smal åbning: de diffrakterer og spredes ud i form af halvkugleformede krusninger.
hvor de “lette krusninger” fra de to spalter rammer hinanden ud af fase, annullerer de og danner mørke søjler. Hvor krusningerne rammer hinanden i fase, tilføjer de sammen til lavede lyse lodrette linjer.,
Youngs eksperiment var overbevisende bevis for bølgemodellen, og Ma..ells arbejde satte ideen på et solidt matematisk grundlag. Lys er en bølge.
men så kom kvantevolutionen.
i anden halvdel af det nittende århundrede forsøgte fysikere at forstå, hvordan og hvorfor nogle materialer absorberede og udsendte elektromagnetisk stråling bedre end andre.,
I 1900, Max Planck løst problemet
Det kan måske lyde en smule niche, men det elektriske lys, industrien er på vej frem på det tidspunkt, så materialer, der kan udsende lys, var en stor ting.
Ved udgangen af det nittende århundrede havde forskere opdaget, at mængden af elektromagnetisk stråling frigivet af et objekt ændrede sig afhængigt af dens temperatur, og de havde målt disse ændringer. Men ingen vidste, hvorfor det skete.
i 1900 løste Ma.Planck problemet., Han opdagede, at beregningerne kunne forklare disse ændringer, men kun hvis han antog, at den elektromagnetiske stråling blev afholdt i små diskrete pakker. Planck kaldte disse” quuanta”, flertallet af”quantumuantum”.få år senere brugte Einstein denne ID.til at forklare et andet forvirrende eksperiment.fysikere havde opdaget, at et stykke metal bliver positivt ladet, når det bades i synligt eller ultraviolet lys. De kaldte dette den”fotoelektriske effekt”.,
Dette giver ikke meget mening, hvis lys simpelthen er en bølge
forklaringen var, at atomer i metallet tabte negativt ladede elektroner. Tilsyneladende leverede lyset nok energi til metallet til at ryste nogle af dem løs.
men detaljerne i, hvad elektronerne gjorde, var ulige. De kunne gøres til at bære mere energi blot ved at ændre lysets farve. Især havde elektronerne frigivet fra et metal badet i violet Lys mere energi end elektroner frigivet af et metal badet i rødt lys.,
Dette giver ikke meget mening, hvis lys simpelthen er en bølge.
du ændrer normalt mængden af energi i en bølge ved at gøre den højere – tænk på den ødelæggende kraft ved en høj tsunami – snarere end ved at gøre bølgen selv længere eller kortere.
Hver quantum packs en diskret energi punch
i forlængelse heraf, er den bedste måde at øge den energi, som lyset overførsler til de elektroner, der bør være ved at gøre lyset bølger højere: det er, der gør lyset lysere., Ændring af bølgelængden, og dermed farven, bør ikke gøre så meget af en forskel.Einstein indså, at den fotoelektriske effekt var lettere at forstå ved at tænke på lys i form af Plancks kvanter.
han foreslog, at lys bæres i små kvantepakker. Hvert kvante pakker en diskret energistempel, der relaterer til bølgelængden: jo kortere bølgelængden er, jo tættere er energistemplen. Dette ville forklare, hvorfor violette lyspakker, med en relativt kort bølgelængde, bar mere energi end røde lyspakker, med en relativt længere.,
det forklarede også, hvorfor blot øge lysstyrken af lyset gjort mindre af en indvirkning.
en lysere lyskilde leverer flere lyspakker til metallet, men det ændrer ikke mængden af energi, som hver lyspakke indeholder. Groft sagt kunne en enkelt violet lyspakke overføre mere energi til en enkelt elektron end noget antal røde lyspakker.,
forskere har besluttet, at lyset opførte sig både som en bølge og en partikel på samme tid
Einstein kaldte disse energi-pakker fotoner, og disse er nu anerkendt som en grundlæggende partikel. Synligt lys bæres af fotoner, og det samme er alle de andre former for elektromagnetisk stråling som røntgenstråler, mikrobølger og radiobølger. Med andre ord er lys en partikel.
på dette tidspunkt besluttede fysikere at afslutte debatten om, hvorvidt lys opførte sig som en bølge eller en partikel., Begge modeller var så overbevisende, at ingen af dem kunne afvises.
til forvirringen hos mange ikke-fysikere besluttede forskerne, at lys opførte sig som både en bølge og en partikel på samme tid. Med andre ord er lys et paradoks.
fysikere har dog ikke noget problem med lysets splittede identitet. Hvis noget, gør det lys dobbelt nyttigt. I dag bygger vi på armaturernes arbejde – bogstaveligt talt “lysgivere”-som Ma..ell og Einstein, klemmer vi endnu mere ud af lys.,
det viser sig, at ligningerne, der bruges til at beskrive lys-som-en-bølge og lys-som-en-partikel, fungerer lige så godt, men i nogle tilfælde er den ene lettere at bruge end den anden. Så fysikere skifter mellem dem, ligesom vi bruger meter til at beskrive vores egen højde, men skifter til kilometer for at beskrive en cykeltur.
Sammenfiltrede partikler, der kan bruges til at formidle information
Nogle fysikere forsøger at bruge lys til at oprette krypterede kanaler for kommunikation: for pengeoverførsler, for eksempel., For dem er det fornuftigt at tænke på lys som partikler.
Dette er på grund af en anden mærkelig quuirk af kvantefysik. To grundlæggende partikler, som et par fotoner, kan “sammenfiltres”. Dette betyder, at de deler ejendomme, uanset hvor langt fra hinanden de er fra hinanden, så de kan bruges til at kommunikere information mellem to punkter på jorden.
et andet træk ved denne sammenfiltring er, at fotonernes kvantetilstand ændres, når de læses., Det betyder, at hvis nogen forsøgte at aflytte en kanal krypteret ved hjælp af lysets kvanteegenskaber, ville de i teorien straks forråde deres tilstedeværelse.andre, som Goulielmakis, bruger lys i elektronik. For dem er det langt mere nyttigt at tænke på lys som en række bølger, der kan tæmmes og kontrolleres.
moderne enheder kaldet “light field synthesi .ers” kan korrale lysbølger til perfekt synkroni med hinanden. Som et resultat skaber de lysimpulser, der er langt mere intense, kortvarige og rettede end lyset fra en almindelig pære.,
De bogstaveligt talt tog billeder af lyset bølger bevæger sig
i Løbet af de sidste 15 år, og disse enheder har været anvendt til at tæmme lys til en ekstraordinær grad.
i 2004 lykkedes det Goulielmakis og hans kolleger at producere utroligt korte impulser af røntgenstråling. Hver puls varede kun 250 attosekunder eller 250 quinuintillionths af et sekund.
Ved hjælp af disse små pulser som en kamerablit.formåede de at optage billeder af individuelle bølger af synligt lys, som svinger ret langsommere. De tog bogstaveligt talt billeder af lysbølger, der bevægede sig.,
“Vi har kendt siden Maxwell, at lys er en oscillerende elektromagnetisk felt, men ingen drømte vi ville være i stand til at indfange det lys, som det svinger,” siger Goulielmakis.
at se de individuelle lysbølger er et første skridt i retning af at kontrollere og skulpturere dem, siger han, ligesom vi allerede skulpturerer meget længere elektromagnetiske bølger, som radiobølgerne, der bærer radio-og tv-signaler.for et århundrede siden viste den fotoelektriske effekt, at synligt lys påvirker elektronerne i et metal., Goulielmakis siger, at det burde være muligt at præcist manipulere disse elektroner ved hjælp af synlige lysbølger, der er formet til at interagere med metallerne på en omhyggeligt defineret måde. “Vi kan styre lyset, og gennem det kan vi styre stof,” siger han.
det Menneskelige øje er foton detektorer, der bruger synligt lys til at lære om verden omkring os
Der kan revolutionere den elektronik, der fører til nye generationer af optiske computere, der er mindre og hurtigere end dem vi har i dag., “Det handler om at sætte elektroner i bevægelse på måder, vi ønsker, skabe elektriske strømme inde i faste stoffer ved hjælp af lys i stedet for konventionel elektronik.”
så der er endnu en måde lys kan beskrives: lys er et værktøj.
det er ikke noget nyt. Livet har udnyttet lys lige siden de første primitive organismer udviklede lysfølsomme væv. Menneskelige øjne er fotondetektorer, der bruger synligt lys til at lære om verden omkring os.
moderne teknologi tager simpelthen denne ide endnu længere., I 2014 blev Nobelprisen i kemi tildelt forskere, der byggede et lysmikroskop så kraftigt, at det blev antaget at være fysisk umuligt. Det viste sig, at lys med lidt overtalelse ville vise os ting, vi troede, vi aldrig ville se.