A fény lehetővé teszi számunkra, hogy megértsük a világot, amelyben élünk. Nyelvünk ezt tükrözi: a sötétben tapogatózás után látjuk a fényt és a megértést.
mégis a fény egyike azoknak a dolgoknak, amelyeket nem szoktunk megérteni. Ha ráközelítenél egy fénysugárra, mit látnál? Persze, a fény hihetetlenül gyorsan halad, de mi ez az utazás? Sokan közülünk küzdenének a magyarázatért.
nem kell így lennie., A fény minden bizonnyal zavarba ejtette a legnagyobb elméket évszázadok óta, de az elmúlt 150 évben tett mérföldkő felfedezések megfosztották rejtélyének fényét. Valójában többé-kevésbé tudjuk, mi az.
a mai fizikusok nemcsak megértik a fény természetét, hanem egyre nagyobb pontossággal megtanulják irányítani-ami azt jelenti, hogy a fényt hamarosan meglepő új módon lehet dolgozni. Ez az oka annak, hogy az Egyesült Nemzetek Szervezete 2015-et a Fény Nemzetközi Évének nyilvánította.
a fény leírásának mindenféle módja van., De ez segíthet ezzel kezdeni: a fény a sugárzás egyik formája.
csak a tizenkilencedik század végén fedezték fel a tudósok a fénysugárzás pontos identitását
ennek remélhetőleg van értelme. Mindannyian tudjuk, hogy a túl sok napfény bőrrákot okozhat. Azt is tudjuk, hogy a sugárterhelés növelheti a rák bizonyos formáinak kialakulásának kockázatát, így nem nehéz összerakni a kettőt.
de a sugárzás nem minden formája azonos., Csak a tizenkilencedik század végén fedezték fel a tudósok a fénysugárzás pontos identitását.
a furcsa dolog az, hogy ez a felfedezés nem a fény tanulmányozásából származik. Ehelyett a több évtizedes munka során a villamos energia és a mágnesesség természetévé vált.
az elektromosság és a mágnesesség egészen más dolognak tűnik. De az olyan tudósok, mint Hans Christian Oersted és Michael Faraday, megállapították, hogy mélyen összefonódtak.
Oersted megállapította, hogy egy huzalon áthaladó elektromos áram eltéríti a mágneses iránytű tűjét., Eközben Faraday felfedezte, hogy egy mágnes mozgatása egy huzal közelében elektromos áramot generálhat a huzalban.
Maxwell kimutatta, hogy az elektromos és mágneses mezők hullámok útján haladnak
a nap matematikusai ezen megfigyelések felhasználásával olyan elméletet hoztak létre, amely leírja ezt a furcsa új jelenséget, amelyet “elektromágnesességnek”neveztek. De nem volt, amíg James Clerk Maxwell nézett a probléma, hogy egy teljes képet alakult ki.
Maxwell hozzájárulása a tudományhoz hatalmas., Albert Einstein, akit Maxwell inspirált, azt mondta, hogy örökre megváltoztatta a világot. Sok más dolog mellett számításai segítettek megmagyarázni, hogy mi a fény.
Maxwell kimutatta, hogy az elektromos és mágneses mezők a hullámok útján mozognak, és hogy ezek a hullámok lényegében fénysebességgel mozognak. Ez lehetővé tette Maxwell számára, hogy megjósolja, hogy maga a fényt elektromágneses hullámok hordozzák-ami azt jelenti, hogy a fény az elektromágneses sugárzás egyik formája.,
az 1880-as évek végén, néhány évvel Maxwell halála után Heinrich Hertz német fizikus lett az első, aki hivatalosan bizonyította, hogy Maxwell elméleti koncepciója az elektromágneses hullámról helyes volt.
1861-Ben bemutatta az első tartós, színes fénykép
“én vagyok győződve arról, hogy ha Maxwell, Hertz élt át a Nobel-díjat korszak, akkor bizonyára egy közös” – mondja Graham Hall, a University of Aberdeen az egyesült KIRÁLYSÁGBAN – ahol a Maxwell-lel dolgozott a késő 1850-es években.,
Maxwell egy másik, praktikusabb ok miatt helyet foglal el a fénytudomány évkönyveiben. 1861-ben bemutatta az első tartós színes fényképet, amelyet háromszínű szűrőrendszerrel készítettek, amely ma is a színes fényképezés számos formájának alapját képezi.
mégis, az a gondolat, hogy a fény az elektromágneses sugárzás egyik formája, nem jelenthet túl sokat. De ez az ötlet segít megmagyarázni valamit, amit mindannyian megértünk: a fény a színek spektruma.
Ez egy megfigyelés, amely visszatér Isaac Newton munkájához., Ezt a színspektrumot minden dicsőségében látjuk, amikor egy szivárvány lóg az égen – és ezek a színek közvetlenül kapcsolódnak Maxwell elektromágneses hullámok fogalmához.
sok állat valóban látja az ultraibolya fényt, így néhány ember
a vörös fény a szivárvány egyik széle mentén körülbelül 620-750 nanométer hullámhosszú elektromágneses sugárzás; az ellenkező él mentén lévő lila fény a 380-450 nm hullámhosszú sugárzás.
de sokkal több az elektromágneses sugárzás, mint ezek a látható színek., A vörös fénynél kissé hosszabb hullámhosszú fényt infravörös fénynek nevezzük. Az ibolyánál kissé rövidebb hullámhosszú fényt ultraibolya sugárzásnak nevezik.
sok állat valóban látja az ultraibolya sugárzást, így néhány ember is-mondja Eleftherios Goulielmakis, a németországi Garchingben található Max Planck Kvantumoptikai Intézet. Bizonyos körülmények között még az infravörös is látható az emberek számára. Talán ezért nem ritka, hogy mind az ultraibolya, mind az infravörös fényformák.,
érdekes módon azonban még hosszabb – vagy rövidebb – elektromágneses hullámhosszra lépünk, és abbahagyjuk a “fény”szó használatát.
az ultraibolya sugárzáson túl az elektromágneses hullámhosszak 100 nm-nél rövidebbek lehetnek. Ez a röntgensugarak és a gamma-sugarak birodalma. Nem fogja gyakran hallani a röntgensugarakat, amelyeket a fény formájaként írnak le.
nincs valódi fizikai különbség a rádióhullámok és a látható fény között
“egy tudós nem mondaná, hogy “Röntgenfényt ragyogok a célponton”. Azt mondanák, hogy “röntgensugarakat használok” – mondja Goulielmakis.,
eközben az infravörös és elektromágneses hullámhosszon túl 1 cm-re, sőt akár több ezer kilométerre is kiterjed. Ezek az elektromágneses hullámok olyan ismert neveket kapnak, mint a mikrohullámok és a rádióhullámok. Furcsának tűnhet, hogy úgy gondolja, a rádióhullámok használt műsorszórás, mint a fény.
“a fizika szempontjából nincs valódi fizikai különbség a rádióhullámok és a látható fény között” – mondja Goulielmakis. “Pontosan ugyanolyan egyenletekkel és matematikával írnád le őket.”Csak a mindennapi nyelvünk kezeli őket másképp.,
tehát van egy másik meghatározásunk a fényről. Ez az elektromágneses sugárzás nagyon szűk tartománya, amelyet a szemünk valóban lát. Más szavakkal, a fény szubjektív címke, amelyet csak azért használunk, mert érzékeink korlátozottak.
további bizonyíték arra, hogy mennyire szubjektív a fény fogalma, gondoljon vissza a szivárványra.
a legtöbb ember megtudja, hogy a fény spektruma hét fő színt tartalmaz: vörös, narancs, sárga, zöld, kék, indigó és ibolya. Még praktikus emlékeztetőket és dalokat is kapunk, hogy emlékezzünk rájuk.,
nézze meg az erős szivárványt, és valószínűleg meggyőzheti magát arról, hogy mind a hét szín látható. Maga Newton azonban küzdött, hogy mindet láthassa.
valójában a kutatók most azt gyanítják, hogy a szivárványt csak hét színre osztotta, mert a hetedik szám annyira jelentős volt az ókori világban: például hét hangjegy van egy zenei skálán, és hét nap egy héten.
Maxwell elektromágnesességgel kapcsolatos munkája mindezeken túlmutatott, és megmutatta, hogy a látható fény egy nagyobb sugárzási spektrum része. Úgy tűnt, hogy végül elmagyarázza a fény természetét.,
a tudósok évszázadok óta próbálják meghatározni azt a tényleges formát, amelyet a fény alapvető mértékben vesz fel, amikor egy fényforrástól a szemünk felé halad.
Newton rájött, hogy a fénysugarak nagyon szigorú geometriai szabályoknak engedelmeskednek
néhány gondolat, hogy a fény hullámok vagy hullámok formájában halad, akár levegőn, akár egy ködösebb “éteren”keresztül. Mások szerint ez a hullámmodell rossz volt, és a fényt apró részecskék áramlásaként képzelték el.,
Newton ezt a második lehetőséget részesítette előnyben, különösen egy kísérletsorozat után, amelyet fény és tükrök segítségével végzett.
rájött, hogy a fénysugarak nagyon szigorú geometriai szabályokat követnek. Ragyogjon egy sugarat a tükörnek, és pont úgy pattogjon le, ahogy egy labda tenné, ha a tükörbe dobnák. A hullámok nem feltétlenül mozognak ilyen kiszámítható egyenes vonalakban-érvelt, ezért a fényt valamilyen apró, súlytalan részecskének kell hordoznia.
a baj az, hogy ugyanolyan meggyőző bizonyíték volt arra, hogy a fény hullám.,
ennek egyik leghíresebb bemutatója 1801-ben jelent meg. Thomas Young “kettős rés kísérlete” az a fajta kísérlet, amelyet bárki megismételhet otthon.
vegyen egy vastag lapot, és óvatosan készítsen rajta két vékony függőleges rést. Ezután kap egy “koherens” fényforrást, amely csak egy adott hullámhosszú fényt termel: a lézer szépen fog működni. Most ragyogjon a fény a két résen keresztül egy másik felületre.
Ezen a második felületen két fényes függőleges vonalat láthat, ahol a fény egy része áthaladt a két résen., De amikor Young elvégezte a kísérletet, látta, hogy egy sor világos és sötét vonalak inkább, mint egy vonalkód.
amikor a fény áthalad a vékony réseken, ugyanúgy viselkedik, mint a vízhullámok, amikor áthaladnak egy keskeny nyíláson: félgömb alakú hullámok formájában szétterülnek.
ahol a két rés” fényhullámai ” egymást ütik ki a fázisból, sötét sávokat képeznek. Ahol a hullámok egymást érik fázisban, összeadják a fényes függőleges vonalakat.,
Young kísérlete meggyőző bizonyíték volt a hullámmodellre, Maxwell munkája pedig szilárd matematikai alapokra helyezte az ötletet. A fény egy hullám.
de aztán jött a kvantum forradalom.
a tizenkilencedik század második felében a fizikusok megpróbálták megérteni, hogy egyes anyagok hogyan és miért szívják fel jobban az elektromágneses sugárzást, mint mások.,
1900-ban Max Planck megoldotta a problémát
Ez kissé rést jelenthet, de az elektromos fényipar akkoriban felbukkant, így a fényt kibocsátó anyagok nagy dolog volt.
a tizenkilencedik század végére a tudósok felfedezték, hogy az objektum által kibocsátott elektromágneses sugárzás mennyisége hőmérsékletétől függően változik, és ezeket a változásokat mérték. De senki sem tudta, miért történt.
1900-ban Max Planck megoldotta a problémát., Felfedezte, hogy a számítások megmagyarázhatják ezeket a változásokat, de csak akkor, ha feltételezte, hogy az elektromágneses sugárzást apró diszkrét csomagokban tartották. Planck ezeket a “kvantum” – nak, a “kvantum” többes számának nevezte.
néhány évvel később Einstein ezt az ötletet egy újabb rejtélyes kísérlet magyarázatára használta.
A fizikusok felfedezték, hogy egy fémdarab pozitív töltéssé válik, amikor látható vagy ultraibolya fényben fürdik. Ezt “fotoelektromos hatásnak”nevezték.,
ennek nincs sok értelme, ha a fény egyszerűen egy hullám
a magyarázat az volt, hogy a fém atomjai negatív töltésű elektronokat veszítenek el. Nyilvánvaló, hogy a fény elegendő energiát adott a fémnek, hogy néhányat lazítson.
de az elektronok munkájának részlete furcsa volt. A fény színének megváltoztatásával több energiát lehetne szállítani. Különösen az ibolya fényben fürdött fémből felszabaduló elektronok több energiát hordoztak, mint a vörös fényben fürdött fém által kibocsátott elektronok.,
ennek nincs sok értelme, ha a fény egyszerűen hullám.
általában megváltoztatja az energia mennyiségét egy hullámban azáltal, hogy magasabbá teszi-gondoljon egy magas szökőár pusztító erejére -, ahelyett, hogy maga a hullám hosszabb vagy rövidebb lenne.
Minden kvantum csomag diszkrét energia ütés
kiterjesztés, a legjobb módja annak, hogy növelje az, hogy a fény transzferek, hogy az elektronok kell azzal, hogy a fényhullámok magasabb: az, hogy a fény ragyogóbb., A hullámhossz megváltoztatása, és így a szín megváltoztatása nem hozhat akkora különbséget.
Einstein rájött, hogy a fotoelektromos hatást könnyebb megérteni, ha a fényre gondolunk Planck kvantumában.
azt javasolta, hogy a fényt apró kvantumcsomagokban hordozzák. Minden kvantum egy diszkrét energiaütést csomagol, amely a hullámhosszra vonatkozik: minél rövidebb a hullámhossz, annál sűrűbb az energia lyukasztó. Ez megmagyarázná, hogy a viszonylag rövid hullámhosszú lila fénycsomagok miért hordoztak több energiát, mint a vörös fénycsomagok, viszonylag hosszabb.,
azt is elmagyarázta, hogy miért egyszerűen a fény fényerejének növelése kevésbé befolyásolja.
a fényesebb fényforrás több fénycsomagot szállít a fémhez, de nem változtatja meg az egyes fénycsomagok energiamennyiségét. Durván szólva, egyetlen lila fénycsomag több energiát képes átvinni egyetlen elektronra, mint bármely számú vörös fénycsomag.,
A tudósok úgy döntött, hogy a fény úgy viselkedett, mint a két hullám egy részecske egyszerre
Einstein nevű ezek az energia csomagok fotonok, ezek pedig már elismert alapvető részecske. A látható fényt fotonok hordozzák, akárcsak az összes többi elektromágneses sugárzást, mint például a röntgensugarak, a mikrohullámok és a rádióhullámok. Más szóval, a fény egy részecske.
Ezen a ponton a fizikusok úgy döntöttek, hogy befejezik a vitát arról, hogy a fény hullámként vagy részecskeként viselkedik-e., Mindkét modell annyira meggyőző volt, hogy egyiket sem lehetett elutasítani.
sok nem fizikus zavarához a tudósok úgy döntöttek, hogy a fény egyszerre hullámként és részecskeként viselkedik. Más szóval, a fény paradoxon.
a fizikusoknak azonban nincs probléma a fény osztott identitásával. Ha bármi, akkor kétszeresen hasznos a fény. Ma, a világítótestek – szó szerint “fényadók”-munkájára építve, mint Maxwell és Einstein, még inkább kiszorítjuk a fényt.,
kiderül, hogy a fény-mint-hullám és fény-mint-részecske leírására használt egyenletek egyformán jól működnek, de bizonyos körülmények között az egyik könnyebben használható, mint a másik. Tehát a fizikusok váltanak közöttük, ahogy méterekkel leírjuk a saját magasságunkat, de kilométerekre váltunk, hogy leírjuk a biciklizést.
az összefonódott részecskék felhasználhatók információk közlésére
egyes fizikusok a fényt próbálják használni titkosított kommunikációs csatornák létrehozásához: például pénzátutalásokhoz., Számukra érdemes a fényt részecskéknek tekinteni.
Ez a kvantumfizika egy másik furcsa furcsasága miatt van. Két alapvető részecske, mint egy pár foton, “összefonódhat”. Ez azt jelenti, hogy megosztják a tulajdonságokat, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak egymástól, így felhasználhatók információk közlésére a Föld két pontja között.
ennek a összefonódásnak egy másik jellemzője, hogy a fotonok kvantumállapota megváltozik olvasásuk során., Ez azt jelenti, hogy ha valaki a fény kvantumtulajdonságaival titkosított csatornán hallgatózna, akkor elméletileg azonnal elárulná jelenlétét.
mások, mint a Goulielmakis, fényt használnak az elektronikában. Számukra sokkal hasznosabb úgy gondolni a fényre, mint egy hullámsorozatra, amely megszelídíthető és szabályozható.
A “fénymező szintetizátoroknak” nevezett Modern eszközök tökéletes szinkronokká alakíthatják a fényhullámokat. Ennek eredményeként olyan fényimpulzusokat hoznak létre, amelyek sokkal intenzívebbek, rövid élettartamúak és irányítottak, mint egy közönséges izzó fénye.,
szó szerint fényképeket készítettek a
az elmúlt 15 évben ezeket az eszközöket rendkívüli mértékben megszelídítették.
2004-ben Goulielmakis és kollégái hihetetlenül rövid röntgensugárzási impulzusokat produkáltak. Minden impulzus mindössze 250 attoseconds, vagy 250 quintillionhs egy másodperc alatt tartott.
ezekkel az apró impulzusokkal, mint például a fényképezőgép vakuja, sikerült képeket készíteni a látható fény egyes hullámairól, amelyek meglehetősen lassabban oszcillálnak. Szó szerint fényképeket készítettek a mozgó fényhullámokról.,
“Maxwell óta tudjuk, hogy a fény oszcilláló elektromágneses mező, de senki sem álmodta, hogy képesek leszünk megragadni a fényt, ahogy oszcillál” – mondja Goulielmakis.
ezeknek az egyedi fényhullámoknak a látása az első lépés az irányításuk és a formálásuk felé-mondja, miközben már sokkal hosszabb elektromágneses hullámokat képezünk, mint például a rádió-és televíziójeleket hordozó rádióhullámokat.
egy évszázaddal ezelőtt a fotoelektromos hatás azt mutatta, hogy a látható fény befolyásolja a fém elektronjait., Goulielmakis szerint lehetővé kell tenni, hogy pontosan manipulálják ezeket az elektronokat, látható fényhullámokat használva, amelyeket úgy alakítottak ki, hogy gondosan meghatározott módon kölcsönhatásba lépjenek a fémekkel. “Irányíthatjuk a fényt, és ezen keresztül irányíthatjuk az anyagot” – mondja.
az Emberi szemek foton érzékelők, hogy használja a látható fény, hogy megismerjék a világ körülöttünk
Ami forradalmasíthatja az elektronikát, ami új generációs optikai számítógépek kisebb, gyorsabb, mint a mai., “Arról szól, hogy az elektronokat mozgásba helyezzük a kívánt módon, elektromos áramokat hozva létre a szilárd anyagokban a fény helyett a hagyományos elektronika helyett.”
tehát van még egy módja annak, hogy a fény leírható: a fény eszköz.
Ez semmi új. Az élet a fényt hasznosítja azóta, hogy az első primitív organizmusok fényérzékeny szöveteket fejlesztettek ki. Az emberi szem olyan fotonérzékelők, amelyek látható fényt használnak a körülöttünk lévő világ megismerésére.
a Modern technológia egyszerűen továbbviszi ezt az ötletet., 2014-ben a kémiai Nobel-díjat azoknak a kutatóknak ítélték oda, akik olyan erős fénymikroszkópot építettek, hogy fizikailag lehetetlennek tartották. Kiderült, hogy egy kis meggyőzéssel a fény olyan dolgokat mutat nekünk, amelyekről azt gondoltuk, hogy soha nem fogunk látni.