Licht ermöglicht es uns, die Welt zu verstehen, in der wir leben. Unsere Sprache spiegelt dies wider: Nach dem Tasten im Dunkeln sehen wir das Licht und das Verständnis dämmert.
Dennoch ist Licht eines jener Dinge,die wir nicht verstehen. Wenn Sie einen Lichtstrahl vergrößern würden, was würden Sie sehen? Sicher, Licht reist unglaublich schnell, aber was macht das Reisen? Viele von uns würden Schwierigkeiten haben zu erklären.
So muss es nicht sein., Licht hat sicherlich die größten Köpfe seit Jahrhunderten verwirrt, aber bahnbrechende Entdeckungen, die in den letzten 150 Jahren gemacht wurden, haben Licht seines Geheimnisses beraubt. Wir wissen tatsächlich mehr oder weniger, was es ist.
Nicht nur die heutigen Physiker verstehen die Natur des Lichts, sie lernen, es mit immer größerer Präzision zu steuern-was bedeutet, dass Licht bald auf überraschend neue Weise zum Einsatz kommen könnte. Das ist Teil des Grundes, warum die Vereinten Nationen 2015 zum Internationalen Jahr des Lichts ausgerufen haben.
Es gibt allerlei Möglichkeiten, Licht zu beschreiben., Aber es könnte helfen, damit zu beginnen: Licht ist eine Form der Strahlung.
Erst im späten neunzehnten Jahrhundert entdeckten Wissenschaftler die genaue Identität der Lichtstrahlung
Dies macht hoffentlich Sinn. Wir alle wissen, dass zu viel Sonnenlicht Hautkrebs auslösen kann. Wir wissen auch, dass Strahlenbelastung das Risiko erhöhen kann, einige Formen von Krebs zu entwickeln, so dass es nicht schwer ist, die beiden zusammenzusetzen.
Aber nicht alle Strahlungsformen sind gleich., Erst im späten neunzehnten Jahrhundert entdeckten Wissenschaftler die genaue Identität der Lichtstrahlung.
Das Seltsame ist, dass diese Entdeckung nicht aus dem Studium des Lichts stammt. Stattdessen entstand es aus jahrzehntelanger Arbeit in die Natur von Elektrizität und Magnetismus.
Elektrizität und Magnetismus scheinen ganz andere Dinge zu sein. Aber Wissenschaftler wie Hans Christian Oersted und Michael Faraday haben festgestellt, dass sie tief verwoben sind.
Oersted fand heraus, dass ein elektrischer Strom, der durch einen Draht fließt, die Nadel eines Magnetkompasses ablenkt., In der Zwischenzeit entdeckte Faraday, dass das Bewegen eines Magneten in der Nähe eines Drahtes einen elektrischen Strom im Draht erzeugen kann.
Maxwell zeigte, dass sich elektrische und magnetische Felder wie Wellen bewegen
Mathematiker des Tages nutzten diese Beobachtungen, um eine Theorie zu erstellen, die dieses seltsame neue Phänomen beschreibt, das sie“Elektromagnetismus“ nannten. Aber erst als James Clerk Maxwell sich das Problem ansah, entstand ein vollständiges Bild.
Maxwells Beitrag zur Wissenschaft ist enorm., Albert Einstein, der von Maxwell inspiriert wurde, sagte, dass er die Welt für immer veränderte. Unter anderem halfen seine Berechnungen zu erklären, was Licht ist.
Maxwell zeigte, dass sich elektrische und magnetische Felder wie Wellen bewegen und dass sich diese Wellen im Wesentlichen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Dies ermöglichte es Maxwell vorherzusagen, dass Licht selbst von elektromagnetischen Wellen getragen wurde-was bedeutet, dass Licht eine Form elektromagnetischer Strahlung ist.,
In den späten 1880er Jahren, einige Jahre nach Maxwells Tod, demonstrierte der deutsche Physiker Heinrich Hertz als erster offiziell, dass Maxwells theoretisches Konzept der elektromagnetischen Welle korrekt war.
1861 enthüllte er das erste langlebige Farbfoto
“ Ich bin überzeugt, dass Maxwell und Hertz, wenn sie in die Nobelpreiszeit hineingelebt hätten, sicherlich eines geteilt hätten“, sagt Graham Hall von der University of Aberdeen in Großbritannien, wo Maxwell Ende der 1850er Jahre arbeitete.,
Maxwell nimmt aus einem anderen, praktischeren Grund einen Platz in den Annalen der Lichtwissenschaft ein. 1861 stellte er die erste dauerhafte Farbfotografie vor, die mit einem dreifarbigen Filtersystem hergestellt wurde, das bis heute die Grundlage für viele Formen der Farbfotografie bildet.
Dennoch kann die Vorstellung, dass Licht eine Form elektromagnetischer Strahlung ist, nicht zu viel bedeuten. Aber diese Idee hilft, etwas zu erklären, das wir alle verstehen: Licht ist ein Spektrum von Farben.
Dies ist eine Beobachtung, die auf die Arbeit von Isaac Newton zurückgeht., Wir sehen dieses Farbspektrum in seiner ganzen Pracht, wenn ein Regenbogen am Himmel hängt – und diese Farben beziehen sich direkt auf Maxwells Konzept elektromagnetischer Wellen.
Viele Tiere können tatsächlich ultraviolett sehen, und so können einige Menschen
Das rote Licht entlang einer Kante des Regenbogens ist elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 620 bis 750 Nanometern; Das violette Licht entlang der gegenüberliegenden Kante ist Strahlung mit einer Wellenlänge von 380 bis 450nm.
Aber elektromagnetische Strahlung hat weit mehr zu bieten als diese sichtbaren Farben., Licht mit Wellenlängen, die etwas länger sind als das rote Licht, das wir sehen, wird Infrarot genannt. Licht mit Wellenlängen, die etwas kürzer als Violett sind, wird Ultraviolett genannt.
Viele Tiere können tatsächlich ultraviolett sehen, manche auch, sagt Eleftherios Goulielmakis vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Unter Umständen ist sogar Infrarot für den Menschen sichtbar. Vielleicht ist es deshalb nicht ungewöhnlich, sowohl Ultraviolett als auch Infrarot als Lichtformen zu sehen.,
Seltsamerweise gehen wir jedoch zu noch längeren oder kürzeren elektromagnetischen Wellenlängen und hören auf, das Wort „Licht“zu verwenden.
Über ultraviolett hinaus können elektromagnetische Wellenlängen kürzer als 100 nm sein. Dies ist das Reich der Röntgen – und Gammastrahlen. Sie werden nicht oft Röntgenstrahlen hören, die als eine Form von Licht beschrieben werden.
Es gibt keinen wirklichen physikalischen Unterschied zwischen Radiowellen und sichtbarem Licht
“ Ein Wissenschaftler würde nicht sagen ‚Ich strahle Röntgenlicht auf das Ziel‘. Sie würden sagen ‚Ich benutze Röntgenstrahlen'“, sagt Goulielmakis.,
Inzwischen gehen über infrarot und elektromagnetische wellenlänge erstreckt sich auf 1 cm und sogar bis zu tausenden von kilometern. Diese elektromagnetischen Wellen erhalten bekannte Namen wie Mikrowellen und Radiowellen. Es mag seltsam erscheinen, die im Rundfunk verwendeten Radiowellen als Licht zu betrachten.
„Aus physischer Sicht gibt es keinen wirklichen physikalischen Unterschied zwischen Radiowellen und sichtbarem Licht“, sagt Goulielmakis. „Sie würden sie mit genau der gleichen Art von Gleichungen und Mathematik beschreiben.“Nur unsere Alltagssprache behandelt sie anders.,
wir haben Also eine andere definition von Licht. Es ist der sehr enge Bereich elektromagnetischer Strahlung, den unsere Augen tatsächlich sehen können. Mit anderen Worten, Licht ist ein subjektives Etikett, das wir nur verwenden, weil unsere Sinne begrenzt sind.
Für weitere Beweise dafür, wie subjektiv unser Lichtbegriff ist, denken Sie an den Regenbogen zurück.
Die meisten Menschen erfahren, dass das Lichtspektrum sieben Hauptfarben enthält: Rot, orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett. Wir haben sogar praktische Mnemonien und Lieder, um uns an sie zu erinnern.,
Schauen Sie sich einen starken Regenbogen an und Sie können sich wahrscheinlich davon überzeugen, dass alle sieben Farben zu sehen sind. Newton selbst kämpfte jedoch darum, sie alle zu sehen.
Tatsächlich vermuten Forscher nun, dass er den Regenbogen nur in sieben Farben unterteilt hat, weil die Zahl sieben in der Antike so bedeutsam war: Zum Beispiel gibt es sieben Noten in einer musikalischen Skala und sieben Tage in einer Woche.
Maxwells Arbeit zum Elektromagnetismus führte uns an all dem vorbei und zeigte, dass sichtbares Licht Teil eines größeren Strahlungsspektrums war. Es schien auch endlich die Natur des Lichts zu erklären.,
Seit Jahrhunderten hatten Wissenschaftler versucht, die tatsächliche Form, die Licht in einem grundlegenden Maßstab annimmt, wenn es von einer Lichtquelle zu unseren Augen wandert, zu bestimmen.
Newton erkannte, dass Lichtstrahlen sehr strengen geometrischen Regeln gehorchten
Einige dachten, dass Licht in Form von Wellen oder Wellen reiste, entweder durch die Luft oder einen nebulöseren „Äther“. Andere dachten, dieses Wellenmodell sei falsch und stellten sich Licht als einen Strom winziger Teilchen vor.,
Newton bevorzugte diese zweite Option, insbesondere nach einer Reihe von Experimenten, die er mit Licht und Spiegeln durchführte.
Er erkannte, dass Lichtstrahlen sehr strengen geometrischen Regeln gehorchten. Glänzen Sie einen Strahl gegen einen Spiegel und er prallte genau so ab, wie es ein Ball tun würde, wenn er gegen den Spiegel geworfen würde. Wellen bewegen sich nicht unbedingt in solch vorhersehbaren Geraden, argumentierte er, daher muss Licht von einer Form winziger, schwereloser Teilchen getragen werden.
Das Problem ist, es gab ebenso überzeugende Beweise dafür, dass Licht eine Welle ist.,
Eine der berühmtesten Demonstrationen davon fand 1801 statt. Thomas Youngs „Double Slit Experiment“ ist die Art von Experiment, das jeder zu Hause replizieren kann.
Nehmen Sie ein Blatt dicke Karte und machen Sie vorsichtig zwei dünne vertikale Schlitze durch. Dann erhalten Sie eine“ kohärente “ Lichtquelle, die nur Licht einer bestimmten Wellenlänge erzeugt: Ein Laser wird gut tun. Leuchten Sie nun das Licht durch die beiden Schlitze auf eine andere Oberfläche.
Auf dieser zweiten Oberfläche erwarten Sie möglicherweise zwei helle vertikale Linien, bei denen ein Teil des Lichts durch die beiden Schlitze gegangen ist., Aber als Young das Experiment durchführte, sah er eine Folge von hellen und dunklen Linien eher wie ein Barcode.
Wenn das Licht durch die dünnen Schlitze geht, verhält es sich genauso wie Wasserwellen, wenn sie eine enge Öffnung passieren: Sie beugen sich und breiten sich in Form von halbkugelförmigen Wellen aus.
Wo die „Lichtwellen“ aus den beiden Schlitzen aus der Phase aufeinandertreffen, brechen sie auf und bilden dunkle Balken. Wo die Wellen sich phasenweise treffen, addieren sie sich zu hellen vertikalen Linien.,
Young ‚ s experiment wurde zwingenden Beweise für das Modell der Welle, und Maxwells arbeiten legen die Idee auf eine solide mathematische Basis zu stellen. Licht ist eine Welle.
Aber dann kam die Quantenrevolution.Jahrhunderts versuchten Physiker zu verstehen, wie und warum einige Materialien elektromagnetische Strahlung besser absorbierten und emittierten als andere.,
Im Jahr 1900 löste Max Planck das Problem
Das mag ein bisschen Nische klingen, aber die elektrische Lichtindustrie entstand zu der Zeit, so dass Materialien, die Licht emittieren konnten, eine große Sache waren.Jahrhunderts hatten Wissenschaftler entdeckt, dass sich die Menge der von einem Objekt freigesetzten elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit von seiner Temperatur veränderte, und sie hatten diese Veränderungen gemessen. Aber niemand wusste, warum es passiert ist.
1900 löste Max Planck das Problem., Er entdeckte, dass die Berechnungen diese Änderungen erklären konnten, aber nur, wenn er davon ausging, dass die elektromagnetische Strahlung in winzigen diskreten Paketen gehalten wurde. Planck nannte diese „Quanten“, den Plural von“Quantum“.
Einige Jahre später nutzte Einstein diese Idee, um ein weiteres rätselhaftes Experiment zu erklären.
Physiker hatten entdeckt, dass ein Stück Metall positiv geladen wird, wenn es in sichtbares oder ultraviolettes Licht getaucht wird. Sie nannten dies den „photoelektrischen Effekt“.,
Dies macht wenig Sinn, wenn Licht einfach eine Welle ist
Die Erklärung war, dass Atome im Metall negativ geladene Elektronen verloren. Anscheinend lieferte das Licht genug Energie an das Metall, um einige von ihnen locker zu schütteln.
Aber das Detail dessen, was die Elektronen taten, war seltsam. Sie könnten dazu gebracht werden, mehr Energie zu transportieren, indem einfach die Farbe des Lichts geändert wird. Insbesondere trugen die Elektronen, die von einem in violettes Licht getauchten Metall freigesetzt wurden, mehr Energie als Elektronen, die von einem in rotes Licht getauchten Metall freigesetzt wurden.,
Das macht wenig Sinn, wenn Licht nur eine Welle ist.
Sie ändern normalerweise die Energiemenge in einer Welle, indem Sie sie größer machen – denken Sie an die zerstörerische Kraft eines großen Tsunamis–, anstatt die Welle selbst länger oder kürzer zu machen.
Jedes Quantum packt einen diskreten Energiestempel
Der beste Weg, um die Energie zu erhöhen, die Licht auf die Elektronen überträgt, sollte sein, indem die Lichtwellen größer werden: das heißt, das Licht heller zu machen., Das Ändern der Wellenlänge und damit der Farbe sollte keinen großen Unterschied machen.
Einstein erkannte, dass der photoelektrische Effekt leichter zu verstehen war, indem er an Licht in Bezug auf Plancks Quanten dachte.
Er schlug vor, dass Licht in winzigen Quantenpaketen getragen wird. Jedes Quantum packt einen diskreten Energiestempel, der sich auf die Wellenlänge bezieht: Je kürzer die Wellenlänge, desto dichter der Energiestempel. Dies würde erklären, warum violette Lichtpakete mit einer relativ kurzen Wellenlänge mehr Energie trugen als rote Lichtpakete mit einer relativ längeren.,
Es erklärte auch, warum eine einfache Erhöhung der Helligkeit des Lichts weniger Auswirkungen hatte.
Eine hellere Lichtquelle liefert mehr Lichtpakete an das Metall, ändert jedoch nicht die Energiemenge, die jedes Lichtpaket enthält. Grob gesagt könnte ein einzelnes violettes Lichtpaket mehr Energie auf ein einzelnes Elektron übertragen als eine beliebige Anzahl von Rotlichtpaketen.,
Die Wissenschaftler entschieden, dass sich Licht sowohl als Welle als auch als Teilchen gleichzeitig verhält
Einstein nannte diese Energiepakete Photonen, und diese werden jetzt als fundamentales Teilchen erkannt. Sichtbares Licht wird von Photonen getragen, ebenso wie alle anderen Arten elektromagnetischer Strahlung wie Röntgenstrahlen, Mikrowellen und Radiowellen. Mit anderen Worten, Licht ist ein Teilchen.
An dieser Stelle beschlossen die Physiker, die Debatte darüber zu beenden, ob sich Licht als Welle oder Teilchen verhält., Beide Modelle waren so überzeugend, dass keiner von beiden abgelehnt werden konnte.
Zur Verwirrung vieler Nichtphysiker entschieden die Wissenschaftler, dass sich Licht sowohl als Welle als auch als Teilchen gleichzeitig verhält. Mit anderen Worten, Licht ist ein Paradoxon.
Physiker haben jedoch kein Problem mit der gespaltenen Identität des Lichts. Wenn überhaupt, macht es Licht doppelt nützlich. Aufbauend auf der Arbeit von Koryphäen – buchstäblich „Lichtgebern“-wie Maxwell und Einstein – drücken wir heute noch mehr Licht aus.,
Es stellt sich heraus, dass die Gleichungen, die zur Beschreibung von Licht als Welle und Licht als Partikel verwendet werden, gleich gut funktionieren, aber unter bestimmten Umständen ist eine einfacher zu verwenden als die andere. Physiker wechseln also zwischen ihnen, so wie wir Meter verwenden, um unsere eigene Höhe zu beschreiben, aber auf Kilometer wechseln, um eine Fahrradtour zu beschreiben.
Verwickelte Teilchen können zur Kommunikation von Informationen verwendet werden
Einige Physiker versuchen, mit Licht verschlüsselte Kommunikationskanäle zu erstellen: zum Beispiel für Geldtransfers., Für sie ist es sinnvoll, Licht als Teilchen zu betrachten.
Dies liegt an einer anderen seltsamen Eigenart der Quantenphysik. Zwei grundlegende Teilchen, wie ein Paar Photonen, können „verwickelt“ werden. Dies bedeutet, dass sie Eigenschaften teilen, egal wie weit sie voneinander entfernt sind, sodass sie zur Kommunikation von Informationen zwischen zwei Punkten auf der Erde verwendet werden können.
Ein weiteres Merkmal dieser Verschränkung ist, dass sich der Quantenzustand der Photonen beim Lesen ändert., Das heißt, wenn jemand versuchen würde, einen Kanal zu belauschen, der mit den Quanteneigenschaften von Licht verschlüsselt ist, würden sie theoretisch sofort ihre Anwesenheit verraten.
Andere, wie Goulielmakis, verwenden Licht in der Elektronik. Für sie ist es viel nützlicher, Licht als eine Reihe von Wellen zu betrachten, die gezähmt und kontrolliert werden können.
Moderne Geräte, sogenannte „Lichtfeld-Synthesizer“, können Lichtwellen in perfekte Synchronität miteinander korrelieren. Dadurch erzeugen sie Lichtimpulse, die weitaus intensiver, kurzlebiger und gerichteter sind als das Licht einer gewöhnlichen Glühbirne.,
Sie haben buchstäblich Fotos von sich bewegenden Lichtwellen gemacht
In den letzten 15 Jahren wurden diese Geräte verwendet, um Licht in außergewöhnlichem Maße zu zähmen.
2004 gelang es Goulielmakis und seinen Kollegen, unglaublich kurze Röntgenstrahlenimpulse zu erzeugen. Jeder Puls dauerte nur 250 Attosekunden oder 250 Quintillionstel Sekunden.
Mit diesen winzigen Impulsen wie einem Kamerablitz gelang es ihnen, Bilder einzelner Wellen sichtbaren Lichts aufzunehmen, die eher langsamer schwingen. Sie machten buchstäblich Fotos von sich bewegenden Lichtwellen.,
„Wir wissen seit Maxwell, dass Licht ein oszillierendes elektromagnetisches Feld ist, aber niemand hat davon geträumt, dass wir das Licht beim Schwingen einfangen könnten“, sagt Goulielmakis.
Diese einzelnen Lichtwellen zu sehen, ist ein erster Schritt, um sie zu kontrollieren und zu formen, sagt er, so wie wir bereits viel längere elektromagnetische Wellen formen, wie die Radiowellen, die Radio-und Fernsehsignale tragen.
Vor einem Jahrhundert zeigte der photoelektrische Effekt, dass sichtbares Licht die Elektronen in einem Metall beeinflusst., Goulielmakis sagt, dass es möglich sein sollte, diese Elektronen genau zu manipulieren, indem sichtbare Lichtwellen verwendet werden, die so geformt wurden, dass sie auf genau definierte Weise mit den Metallen interagieren. „Wir können das Licht kontrollieren und durch es die Materie kontrollieren“, sagt er.
Menschliche Augen sind Photonendetektoren, die sichtbares Licht verwenden, um etwas über die Welt um uns herum zu erfahren
Das könnte die Elektronik revolutionieren und zu neuen Generationen optischer Computer führen, die kleiner und schneller sind als die, die wir heute haben., „Es geht darum, Elektronen so in Bewegung zu setzen, wie wir es wollen, und elektrische Ströme in Festkörpern mithilfe von Licht anstelle herkömmlicher Elektronik zu erzeugen.“
Es gibt also noch einen Weg, wie Licht beschrieben werden kann: Licht ist ein Werkzeug.
Das ist nichts neues. Das Leben nutzt Licht, seit die ersten primitiven Organismen lichtempfindliche Gewebe entwickelt haben. Menschliche Augen sind Photonendetektoren, die sichtbares Licht verwenden, um etwas über die Welt um uns herum zu lernen.
Moderne Technik bringt diese Idee einfach noch weiter., Im Jahr 2014 wurde der Nobelpreis für Chemie an Forscher vergeben, die ein Lichtmikroskop bauten, das so stark war, dass es für physikalisch unmöglich gehalten wurde. Es stellte sich heraus, dass Licht uns mit ein wenig Überzeugungskraft Dinge zeigen würde, von denen wir dachten, dass wir sie nie sehen würden.