valo antaa meille mahdollisuuden ymmärtää maailmaa, jossa elämme. Kielemme kuvastaa tätä: haparoinnin jälkeen pimeässä näemme valon ja ymmärryksen sarastavan.
vielä valo on yksi niistä asioista, joita meillä ei ole tapana ymmärtää. Jos zoomaisit valonsäteeseen, mitä näkisit? Toki valo kulkee uskomattoman nopeasti,mutta mitä se tekee matkustamisen? Monet meistä joutuisivat selittelemään.
sen ei tarvitse olla niin., Valo on varmasti ymmällään suurin mielissä vuosisatojen ajan, mutta maamerkki löytöjä tehnyt viimeisten 150 vuoden aikana on ryöstetty valon, sen mysteeri. Tiedämme oikeastaan enemmän tai vähemmän, mitä se on.
paitsi että nykyajan fyysikot ymmärtävät valon luonteen, he oppivat hallitsemaan sitä yhä tarkemmin-mikä tarkoittaa, että valo voitaisiin pian saada toimimaan yllättävillä uusilla tavoilla. Tämä on osasyy siihen, miksi Yhdistyneet kansakunnat nimesi vuoden 2015 kansainväliseksi valon vuodeksi.
On olemassa kaikenlaisia tapoja kuvata valoa., Mutta se voisi auttaa alkuun tästä: valo on säteilyn muoto.
Se ei ollut, kunnes myöhään yhdeksästoista vuosisata, että tutkijat havaitsivat tarkka henkilöllisyys, ja valon säteilyä,
toivottavasti Tämä tekee jossain mielessä. Liika auringonvalo voi laukaista ihosyövän. Tiedämme myös, että säteilyaltistus voi nostaa riskiä sairastua joihinkin syöpämuotoihin, joten niitä kahta ei ole vaikea yhdistää.
mutta kaikki säteilyn muodot eivät ole samat., Vasta 1800-luvun lopulla tutkijat saivat selville valosäteilyn tarkan henkilöllisyyden.
outo juttu on, tämä löytö ei tullut valon tutkimuksesta. Sen sijaan se nousi vuosikymmenien työstä sähkön ja magnetismin luonteeseen.
Sähkö ja magnetismi tuntuvat aivan erilaisilta asioilta. Hans Christian Oerstedin ja Michael Faradayn kaltaiset tiedemiehet kuitenkin vahvistivat olevansa syvästi kiintyneitä toisiinsa.
Oersted havaitsi, että langan läpi kulkeva sähkövirta torjuu magneettisen kompassin neulan., Samaan aikaan, Faraday huomasi, että liikkuva magneetti lähellä lanka voi tuottaa sähkövirran johtimessa.
Maxwell osoitti, että sähkö-ja magneettikentät matkustaa tavalla aaltojen
Matemaatikot of the day, asettaa näitä havaintoja käyttäen luoda teoria, jossa kuvataan tämä outo uusi ilmiö, jota he kutsuivat ”sähkömagnetismi”. Mutta vasta kun James Clerk Maxwell katsoi ongelmaa, syntyi täydellinen kuva.
Maxwellin panos tieteeseen on valtava., Maxwellin inspiroima Albert Einstein sanoi muuttaneensa maailman lopullisesti. Hänen laskelmansa auttoivat muun muassa selittämään, mitä valo on.
Maxwell osoitti, että sähkö-ja magneettikentät matkustaa tavalla aaltoja, ja että nämä aallot liikkuvat lähinnä valon nopeudella. Näin Maxwell pystyi ennustamaan, että itse valo kulkeutui sähkömagneettisten aaltojen mukana – eli valo on sähkömagneettisen säteilyn muoto.,
myöhään 1880-luvulla, muutama vuosi sen jälkeen, kun Maxwellin kuoleman, saksalainen fyysikko Heinrich Hertz tuli ensimmäinen virallisesti osoittaa, että Maxwell on teoreettinen käsite sähkömagneettinen aalto oli oikea.
Vuonna 1861 hän julkisti ensimmäisen kestävä väri valokuva,
”olen vakuuttunut siitä, että jos Maxwell ja Hertz oli asunut Nobel-palkinnon aikakausi, ne olisi varmasti jaettu yksi”, sanoo Graham Hall of University of Aberdeen iso-BRITANNIASSA – jossa Maxwell työskenteli myöhään 1850-luvulla.,
Maxwellilla on paikka valotieteen aikakirjoissa toisesta, käytännöllisemmästä syystä. Vuonna 1861 hän julkisti ensimmäisen kestävä väri valokuva, joka on tuotettu käyttämällä kolme-väri suodatin järjestelmä, joka edelleen muodostaa perustan monia muotoja väri valokuvaus tänään.
silti ajatus siitä, että valo on sähkömagneettisen säteilyn muoto, ei välttämättä tarkoita liikaa. Mutta tämä ajatus auttaa selittämään jotain, mitä me kaikki ymmärrämme: valo on värien kirjo.
Tämä on havainto, joka juontaa juurensa Isaac Newtonin työhön., Näemme tämän värin kirjo kaikessa komeudessaan, kun sateenkaari roikkuu taivaalla – ja nämä värit liittyvät suoraan Maxwellin käsite sähkömagneettisia aaltoja.
Monet eläimet voivat itse nähdä, ultravioletti -, ja niin jotkut ihmiset
punainen valo yhdessä reunassa rainbow on sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on noin 620 750 nanometriä; violetti valo pitkin vastakkaista reunaa on säteilyä, jonka aallonpituus on 380-450nm.
mutta sähkömagneettisessa säteilyssä on paljon muutakin kuin nämä näkyvät värit., Valoa, jonka aallonpituudet ovat hieman pitempiä kuin näkemämme punainen valo, kutsutaan infrapunaksi. Valoa, jonka aallonpituudet ovat hieman violettia lyhyemmät, kutsutaan ultravioletiksi.
Monet eläimet voivat itse nähdä, ultravioletti -, ja niin jotkut ihmiset, sanoo Eleftherios Goulielmakis Max Planck Institute of Quantum Optics Garchingissa, Saksassa. Joissakin olosuhteissa jopa infrapuna näkyy ihmisille. Ehkä tämän vuoksi ei ole harvinaista nähdä sekä ultraviolettia että infrapunaa kuvattuna valon muotoina.,
Kumma, vaikka, mennä jopa pidempi tai lyhyempi – sähkömagneettisia aallonpituuksia, ja me lopettaa sanan ”valo”.
ultraviolettia pidemmälle sähkömagneettiset aallonpituudet voivat mennä lyhyemmiksi kuin 100 Nm. Tämä on röntgenkuvien ja gammasäteiden valtakunta. Et usein kuule röntgenkuvia, joita kuvaillaan valon muodoksi.
ei ole todellinen fyysinen ero radioaaltojen ja näkyvän valon
”tiedemies sanoisi: ’minä olen loistava X-ray valo kohde’. He sanoisivat, että ”käytän röntgenkuvia”, Goulielmakis sanoo.,
Samaan aikaan, ylittää infrapuna-ja sähkömagneettinen aallonpituus ulottuu 1cm ja jopa tuhansia kilometrejä. Näille sähkömagneettisille aalloille annetaan tutut nimet, kuten mikroaallot ja radioaallot. Voi tuntua oudolta ajatella lähetyksissä käytettyjä radioaaltoja valona.
”radioaaltojen ja näkyvän valon välillä ei ole fysiikan näkökulmasta todellista fyysistä eroa”, Goulielmakis sanoo. ”Kuvailisitte niitä täsmälleen samanlaisilla yhtälöillä ja matematiikalla.”Vain arkikielemme kohtelee heitä erilaisina.,
joten meillä on toinen valon määritelmä. Se on hyvin kapea sähkömagneettisen säteilyn alue, jonka silmämme voivat nähdä. Toisin sanoen valo on subjektiivinen merkintä, jota käytämme vain, koska aistimme ovat rajalliset.
lisää todisteita siitä, kuinka subjektiivinen käsite valo on, muistelen rainbow.
Useimmat ihmiset oppivat, että valon spektrin sisältää seitsemän tärkeimmät värit: punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen, indigo ja violetti. Meille annetaan jopa kätevä muistisääntö ja lauluja muistoksi.,
Katso vahvaa sateenkaarta ja voit todennäköisesti vakuuttaa itsellesi, että kaikki seitsemän väriä ovat esillä. Newton itse kuitenkin kamppaili nähdäkseen ne kaikki.
Itse asiassa, tutkijat epäilevät nyt, että hän vain jakaa sateenkaaren seitsemän väriä, koska numero seitsemän oli niin merkittävä antiikin maailmassa: esimerkiksi on seitsemän muistiinpanoja musikaali mittakaavassa, ja seitsemän päivää viikossa.
Maxwellin työ sähkömagnetismi vei meidät ohi kaikki tämä, ja osoitti, että näkyvä valo on osa suurempaa taajuuksien säteilyä. Se näytti myös lopulta selittävän valon luonteen.,
vuosisatojen ajan tutkijat olivat yrittäneet paikantaa sitä todellista muotoa, jonka valo saa perusasteikolla kulkiessaan valonlähteestä silmiimme.
Newton ymmärsi, että valonsäteet totteli hyvin tiukat geometrinen säännöt,
Jotkut ajatteli, että valo matkusti muodossa aaltoja tai sunnuntai, joko ilman tai enemmän epämääräinen ”eetteri”. Toiset pitivät tätä aaltomallia vääränä ja kuvittelivat valon olevan pienten hiukkasten virta.,
Newton piti tätä toista vaihtoehtoa parempana, erityisesti sen jälkeen, kun hän teki useita kokeita käyttäen valoa ja peilejä.
hän tajusi, että valonsäteet tottelivat hyvin tiukkoja geometrisia sääntöjä. Paista säde peiliä vasten ja se kimposi aivan samalla tavalla kuin pallo, jos se olisi heitetty peiliä vasten. Aallot eivät välttämättä liiku niin ennustettavissa suorat linjat, hän järkeili, niin kevyt on tehtävä jonkinlainen pieni, painoton hiukkasia.
ongelma on, oli yhtä vakuuttavaa näyttöä siitä, että valo on Aalto.,
yksi tämän tunnetuimmista mielenosoituksista tuli vuonna 1801. Thomas Youngin ”double slit experiment” on sellainen kokeilu, jonka kuka tahansa voi toistaa kotona.
ota paksusta kortista arkki ja tee sen läpi huolellisesti kaksi ohutta pystysuoraa rakoa. Hanki sitten ”koherentti” valonlähde, joka tuottaa vain tietyn aallonpituuden valoa: laser toimii hienosti. Valaise nyt valo kahden raon läpi toiselle pinnalle.
– Siitä, että toinen pinta, saatat odottaa kaksi kirkas pystysuorat linjat, joissa jotkut valo on läpäissyt kaksi rakoja., Mutta kun Young suoritti kokeen, hän näki sarjan valoa ja tummia viivoja kuin viivakoodi.
Kun valo kulkee ohut rakoja, se käyttäytyy samalla tavalla, että vesi aallot, kun ne kulkevat läpi kapea aukko: ne taipuvat ja levittää muodossa puolipallon väreitä.
Missä ”kevyt maanantai” kaksi rakoja lyödä toisiaan pois vaiheessa, ne kumoavat toisensa, muodostaen tummat baareja. Missä väreet osuvat toisiinsa vaiheittain, ne lisäävät yhteen kirkkaita pystyviivoja.,
Youngin kokeilu oli vakuuttava todiste aaltomallista, ja Maxwellin työ nosti ajatuksen vakaalle matemaattiselle pohjalle. Valo on Aalto.
mutta sitten tuli kvanttivallankumous.
toisella puoliskolla yhdeksännentoista vuosisadan, fyysikot yrittivät ymmärtää, miten ja miksi jotkut materiaalit absorboituu ja emittoituu sähkömagneettista säteilyä paremmin kuin toiset.,
Vuonna 1900 Max Planck ratkaisi ongelman
Se voi kuulostaa hieman markkinarako, mutta sähkö kevyt teollisuus oli kehittymässä tuolloin, joten materiaaleja, jotka säteilevät valoa oli iso asia.
loppuun Mennessä yhdeksästoista vuosisata, tutkijat olivat havainneet, että määrä sähkömagneettista säteilyä vapautuu esine muuttaa riippuen sen lämpötila, ja ne oli mitattu nämä muutokset. Kukaan ei kuitenkaan tiennyt, miksi se tapahtui.
Vuonna 1900 Max Planck ratkaisi ongelman., Hän huomasi, että laskelmat voisi selittää muutoksia, mutta vain jos hän olettaa, että sähkömagneettista säteilyä pidettiin pieniä erillisiä paketteja. Planck kutsui näitä” quantaksi”, monikko”kvantiksi”.
muutamaa vuotta myöhemmin Einstein käytti tätä ajatusta selittääkseen toisen hämmentävän kokeen.
fyysikot olivat havainneet, että pala metallia tulee positiivisesti varautuneeksi, kun se kylpee näkyvässä tai ultraviolettivalossa. Tätä kutsuttiin ”valosähköiseksi efektiksi”.,
Tämä ei tee paljon järkeä, jos valo on yksinkertaisesti aalto
selitys oli, että atomien metalli olivat menettämässä negatiivisesti varautuneet elektronit. Ilmeisesti valo toi metalliin sen verran energiaa, että osa niistä irtosi.
, mutta elektronien toiminnan yksityiskohdat olivat parittomia. Ne voitaisiin saada kantamaan enemmän energiaa yksinkertaisesti muuttamalla valon väriä. Erityisesti elektroneja vapautuu metalli kylpee violetti valo kuljettaa energiaa enemmän kuin elektroneja vapautuu metalli kylpee punainen valo.,
tässä ei ole paljon järkeä, jos valo on vain aalto.
yleensä muuttaa määrä energiaa aalto tekemällä sitä pitempi – ajatella tuhovoima pitkä tsunami – pikemminkin kuin tekemällä aalto itse pidempi tai lyhyempi.
Jokainen kvantti pakkauksissa diskreetti energia lyönti
laajennus, paras tapa lisätä energiaa, että valo siirtyy elektroneja pitäisi olla tekemällä valon aallot pidempi: se on, jolloin valo kirkkaampi., Aallonpituuden ja siten värin muuttamisella ei pitäisi olla niin suurta merkitystä.
Einstein tajusi, että valosähköinen vaikutus oli helpompi ymmärtää ajattelemalla valoa Planckin Quantan kannalta.
hän ehdotti, että valoa kannettaisiin pienissä kvanttipaketeissa. Jokainen kvantti pakkaa diskreetin energia boolin, joka liittyy aallonpituuteen: mitä lyhyempi aallonpituus, sitä tiheämpi energia booli. Tämä selittää, miksi violetti valo-paketit, joilla on suhteellisen lyhyt aallonpituus, joka kuljettaa enemmän energiaa kuin punainen valo paketteja, suhteellisen enää yksi.,
Se selitti myös, miksi yksinkertaisesti lisäämällä kirkkauden tehty vähemmän vaikutusta.
kirkkaampi valo lähde tuottaa enemmän valoa paketit metallia, mutta se ei muutu, energian määrä kunkin valo paketti sisältää. Karkeasti ottaen yhden violetti valo paketti voisi siirtää enemmän energiaa yhden elektronin kuin mikään määrä punaisia paketteja.,
tutkijat päättänyt, että valo käyttäytynyt sekä aalto ja hiukkanen samaan aikaan
Einstein kutsui nämä energia-paketteja fotonit, ja nämä ovat nyt tunnustettu perustavanlaatuinen hiukkanen. Näkyvä valo on kuljettaa fotonit, ja niin ovat kaikki muut elektromagneettista säteilyä, kuten röntgensäteilyä, mikroaallot ja radioaallot. Toisin sanoen valo on hiukkanen.
tässä vaiheessa fyysikot päättänyt lopettaa keskustelu siitä, onko valo käyttäytyi kuin aalto tai hiukkanen., Molemmat mallit olivat niin vakuuttavia, ettei kumpaakaan voitu hylätä.
sekaannusta monien ei-fyysikot, tutkijat päättänyt, että valo käyttäytynyt sekä aalto ja hiukkanen samaan aikaan. Toisin sanoen valo on paradoksi.
Fyysikoilla ei kuitenkaan ole ongelmia valon jakautuneen identiteetin kanssa. Se tekee valosta kaksin verroin hyödyllisen. Nykyään, perustuen valaisimien – kirjaimellisesti ”valon antajien” -, kuten Maxwellin ja Einsteinin työhön, puristamme vielä enemmän valosta.,
osoittautuu, että yhtälöitä käytetään kuvaamaan valoa-as-a-aalto-ja valo-as-a-partikkeli toimivat yhtä hyvin, mutta joissakin tapauksissa se on helpompi käyttää kuin muut. Fyysikot vaihtavat siis keskenään, aivan kuten me käytämme metrejä kuvaamaan omaa korkeuttamme, mutta vaihdamme kilometreihin kuvaamaan polkupyöräilyä.
Sotkeutua hiukkaset voidaan kommunikoida tietoa,
Jotkut fyysikot yrittävät käyttää valoa luoda salattuja kanavia viestintä: rahansiirroista, esimerkiksi., Heille on järkevää ajatella valoa hiukkasina.
Tämä johtuu toisesta kvanttifysiikan oudosta oikkusta. Kaksi perushiukkasta, kuten fotonipari, voivat olla ”sotkeutuneita”. Tämä tarkoittaa, että he jakavat ominaisuuksia, ei väliä kuinka kaukana ne ovat toisistaan, joten niitä voidaan käyttää välittämään tietoa kahden pisteen välillä Maan päällä.
tämän sotkeutumisen toinen piirre on se, että fotonien kvanttitila muuttuu, kun niitä luetaan., Se tarkoittaa, että jos joku yrittäisi salakuunnella valon kvanttiominaisuuksilla salattua kanavaa, hän teoriassa pettäisi heti läsnäolonsa.
muut, kuten Goulielmakis, käyttävät valoa elektroniikassa. Heille on paljon hyödyllisempää ajatella valoa sarjana aaltoja, jotka voidaan kesyttää ja ohjata.
Moderni laitteita kutsutaan ”kevyt kenttä syntetisaattorit” voi corral valonsäteet osaksi täydellinen tahdistaa toistensa kanssa. Tämän seurauksena ne luovat valopulsseja, jotka ovat paljon voimakkaampia, lyhytikäisempiä ja suuntaisempia kuin tavallisen polttimon valo.,
– He kirjaimellisesti otti valokuvia valon aallot liikkuvat
viime 15 vuotta, näitä laitteita on käytetty kesyttää valo on ylimääräinen aste.
vuonna 2004 Goulielmakis kollegoineen onnistui tuottamaan uskomattoman lyhyitä pulsseja röntgensäteilyä. Jokainen pulssi kesti vain 250 attosekuntia eli 250 sekunnin kvintilliontia.
näillä pienillä pulsseilla, kuten kameran välähdyksellä, he onnistuivat tallentamaan kuvia yksittäisistä näkyvän valon aalloista, jotka värähtelevät melko hitaammin. He kirjaimellisesti ottivat valokuvia valoaaltojen liikkumisesta.,
”olemme Maxwellin jälkeen tienneet, että valo on värähtelevä sähkömagneettinen kenttä, mutta kukaan ei haaveillut, että voisimme kaapata valon sen värähtellessä”, Goulielmakis sanoo.
Nähdä ne yksittäiset valonsäteet on ensiaskel kohti ja kuvanveistoa niitä, hän sanoo, paljon kuin me jo veistää paljon kauemmin sähkömagneettisia aaltoja kuten radioaallot, joka kuljettaa radio-ja televisio-signaaleja.
vuosisataa sitten, valosähköinen ilmiö osoitti, että näkyvä valo vaikuttaa elektronien metallia., Goulielmakisin mukaan näitä elektroneja pitäisi pystyä tarkasti manipuloimaan käyttämällä näkyviä valoaaltoja, jotka on muotoiltu vuorovaikutuksessa metallien kanssa tarkoin määritellyllä tavalla. ”Voimme hallita valoa, ja sen kautta voimme hallita Materiaa”, hän sanoo.
Ihmisen silmät ovat fotoni-ilmaisimet, jotka käyttävät näkyvää valoa oppia maailmasta ympärillämme
Se voi mullistaa elektroniikan, johtaa uuden sukupolven optisia tietokoneita, jotka ovat pienempiä ja nopeammin kuin ne, jotka olemme tänään., ”Kyse on elektronien asettamisesta liikkeelle haluamallamme tavalla, sähkövirtojen luomisesta kiintoaineiden sisällä käyttäen valoa tavanomaisen elektroniikan sijaan.”
joten on vielä yksi tapa kuvata valoa: valo on työkalu.
se ei ole mitään uutta. Elämä on valjastanut valoa siitä lähtien, kun ensimmäiset alkeelliset eliöt kehittivät valolle herkkiä kudoksia. Ihmissilmät ovat fotoninpaljastimia, jotka käyttävät näkyvää valoa oppiakseen ympäröivästä maailmasta.
nykytekniikka vie tätä ajatusta yksinkertaisesti vielä pidemmälle., Vuonna 2014 Nobelin kemianpalkinto myönnettiin tutkijoille, jotka rakensivat niin voimakkaan valomikroskoopin, että sitä pidettiin fyysisesti mahdottomana. Kävi ilmi, että pienellä suostuttelulla valo näyttäisi meille asioita, joita luulimme, ettemme koskaan näkisi.