光は、私たちが住んでいる世界を理解することを可能にするものです。 私たちの言語はこれを反映しています：暗闇の中で模索した後、私たちは光と理解が明けるのを見ます。
しかし、光は私たちが理解しがちではないものの一つです。 あなたが光線をズームインした場合、あなたは何を見るでしょうか？ 確かに、光は信じられないほど速く移動しますが、旅行をしているのは何ですか？ 私たちの多くは説明に苦労するでしょう。
そのようにする必要はありません。, 光は確かに何世紀にもわたって最大の心を困惑させてきましたが、過去150年にわたって行われた画期的な発見は、その謎の光を奪ってきました。 私たちは実際にそれが何であるかを知っています。
今日の物理学者は光の性質を理解しているだけでなく、光をますます正確に制御することを学んでいます。 これが、国連が2015年を国際光年として指定した理由の一部です。
光を記述する方法はあらゆる種類があります。, しかし、それはこれから始めるのに役立つかもしれません：光は放射線の一種です。
科学者が光放射の正確な同一性を発見したのは十九世紀後半までではありませんでした
これはうまくいけば理に 私達はすべてたくさんの日光が皮膚癌を誘発できることを知っている 我々はまた、放射線被ばくが癌のいくつかの形態を発症するリスクを高めることができることを知っているので、両者を一緒に置くことは難しいこ
しかし、放射線のすべての形態が同じではありません。, それは科学者が光放射の正確なアイデンティティを発見した十九世紀後半までではありませんでした。
奇妙なことは、この発見は光の研究から来たものではないということです。 代わりに、それは何十年もの仕事から電気と磁気の性質に現れました。
電気と磁気は全く異なるもののように見えます。 しかし、Hans Christian OerstedやMichael Faradayのような科学者たちは、彼らが深く絡み合っていることを確立しました。
エルステッドは、ワイヤを通過する電流が磁気コンパスの針を偏向させることを発見した。, 一方、ファラデーは、ワイヤーの近くに磁石を動かすと、ワイヤーに電流が発生することを発見しました。
マクスウェルは、電場と磁場が波のように移動することを示しました
当時の数学者は、これらの観測を使って、”電磁気”と呼ばれるこの奇妙な新しい現象を記述する理論を作り出しました。 しかし、James Clerk Maxwellが問題を見るまで、全体像が浮かび上がっていませんでした。
マクスウェルの科学への貢献は巨大です。, マクスウェルに触発されたアルバート-アインシュタインは、彼が世界を永遠に変えたと言った。 多くの他のものを試算したというはおまけです。
マクスウェルは、電場と磁場が波のように移動し、それらの波が本質的に光の速度で移動することを示しました。 これにより、マクスウェルは光自体が電磁波によって運ばれたと予測することができました–つまり、光は電磁放射の一形態です。,
マクスウェルの死から数年後の1880年代後半、ドイツの物理学者ハインリヒ-ヘルツは、マクスウェルの電磁波の理論的概念が正しいことを正式に実証した最初の人物となった。
1861年に彼は最初の耐久性のあるカラー写真を発表しました
“マクスウェルとヘルツがノーベル賞時代に住んでいたなら、彼らは確かにそれを共有していただろうと確信しています”とマクスウェルが1850年代後半に働いていた英国のアバディーン大学のグラハム–ホールは言います。,
マクスウェルは、別の、より実用的な理由のために光科学の年代記の場所を保持しています。 1861年、彼はまだ今日のカラー写真の多くの形態の基礎を形成する三色フィルターシステムを使用して生産最初の耐久性のあるカラー写真を発表しました。
それでも、光が電磁放射の一形態であるという考えは、あまり意味しないかもしれません。 しかし、このアイデアは、私たちがすべて理解していることを説明するのに役立ちます。
これはIsaac Newtonの仕事に戻る観察です。, 私たちは、虹が空にぶら下がるたびに、この色のスペクトルをすべての栄光で見ています–そして、それらの色はマクスウェルの電磁波の概念に直接関
多くの動物は実際に紫外線を見ることができますので、一部の人々はできます
虹の一方の端に沿った赤い光は約620-750ナノメートルの波長の電磁放射であり、反対側の端に沿った紫色の光は380-450nmの波長の放射である。
しかし、これらの目に見える色よりも電磁放射にはるかに多くのものがあります。, 私たちが見る赤色光よりもわずかに長い波長の光は、赤外線と呼ばれます。 紫よりわずかに短い波長の光は、紫外線と呼ばれます。
多くの動物は実際に紫外線を見ることができ、一部の人々もそうです、とGarching、ドイツのMax Planck Institute of Quantum OpticsのEleftherios Goulielmakisは言います。 いくつかの状況では、赤外線でさえ人間には見えます。 おそらくこれが、紫外線と赤外線の両方が光の形として記述されているのを見ることが珍しくない理由です。,
不思議なことに、しかし、さらに長い–または短い–電磁波長に行くと、我々は単語”光”を使用して停止します。
紫外線を越えて、電磁石の波長は100nmより短く行くことができます。 これはX線とガンマ線の領域です。 あなたはしばしば光の一形態として記述されたX線を聞くことはありません。
電波と可視光の間に実際の物理的な違いはありません
“科学者は”私はターゲットにX線光を照らしている”とは言わないでしょう。 彼らは”私はX線を使っている”と言うでしょう”とGoulielmakis氏は言います。,
一方、赤外線を超えて行くと電磁波の波長は1cmに伸び、さらには数千キロメートルまで伸びます。 これらの電磁波は、マイクロ波や電波のような身近な名前が与えられています。 放送で使用される電波を光と考えるのは奇妙に思えるかもしれません。
“物理学の観点からは、電波と可視光の間に実際の物理的な違いはありません”とGoulielmakisは言います。 “あなたはまったく同じ種類の方程式と数学でそれらを記述するでしょう。”それらを異なるものとして扱うのは私たちの日常の言語だけです。,
だから私たちは光の別の定義を持っています。 それは私たちの目が実際に見ることができる電磁放射の非常に狭い範囲です。 言い換えれば、光は私たちの感覚が限られているので、私たちが使用する主観的なラベルです。
私たちの光の概念がどれほど主観的であるかのより多くの証拠については、虹に戻って考えてみてください。
ほとんどの人は、光のスペクトルには赤、オレンジ、黄、緑、青、藍、紫の七つの主要な色が含まれていることを学びます。 私たちもそれらを覚えて便利なニーモニックや歌を与えられています。,
強い虹を見て、あなたはおそらくすべての七色がショーにあることを自分自身を納得させることができます。 しかし、ニュートン自身が苦しみください。
実際、研究者たちは、古代世界では七つの数字が非常に重要であったため、虹を七つの色に分けただけであると疑っています。
マクスウェルの電磁気学に関する研究は、このすべてを過ぎて私たちを取り、可視光がより大きな放射スペクトルの一部であることを示しました。 それはまた、最終的に光の性質を説明するように見えました。,
何世紀にもわたって、科学者たちは、光が光源から私たちの目に移動するときに基本的なスケールで取る実際の形を固定しようとしていました。
ニュートンは、光線が非常に厳密な幾何学的規則に従っていることに気付きました
光は空気またはより漠然とした”エーテル”のいずれかを通って波または波紋の形で移動すると考えた人もいました。 その他この波モデルを間違っていたと想像の光ストリームとしての小さな粒です。,
ニュートンは、特に彼が光と鏡を使用して行った一連の実験の後、この第二のオプションを好みました。
彼は光線が非常に厳しい幾何学的規則に従うことに気づいた。 ミラーに対して光線を照らし、それはミラーに対して投げられたら球が丁度同じ方法で跳ね返った。 波は必ずしもそのような予測可能な直線で移動するわけではないので、光は何らかの形の小さな無重力粒子によって運ばれなければならない。
問題は、光が波であるという同様に説得力のある証拠があったことです。,
これの最も有名なデモンストレーションの一つは、1801年に来ました。 トーマス-ヤングの”ダブルスリット実験”は、誰もが自宅で複製できる一種の実験です。
厚いカードのシートを取り、慎重にそれを通して二つの薄い垂直スリットを作ります。 次に、特定の波長の光のみを生成する”コヒーレントな”光源を得る：レーザーはうまくいくでしょう。 今、別の表面に二つのスリットを通して光を照らします。
その第二の表面には、光の一部が二つのスリットを通過した二つの明るい垂直線が見えることを期待するかもしれません。, しかし、ヤングが実験を行ったとき、彼はむしろバーコードのような明暗の線のシーケンスを見ました。
光が薄いスリットを通過するとき、それは水の波が狭い開口部を通過するときと同じように振る舞います：彼らは半球状の波紋の形で回折して広
二つのスリットからの”光の波紋”が位相の外にお互いに当たったところで、彼らは暗いバーを形成し、打ち消します。 波紋が位相でお互いに当たったところで、彼らは明るい垂直線を作ったために一緒に追加します。,
ヤングの実験は波動模型の説得力のある証拠であり、マクスウェルの研究はこのアイデアを確固たる数学的基盤に置いた。 光は波です。
しかし、その後、量子革命が来ました。
十九世紀の後半には、物理学者は、いくつかの材料が他のものよりも電磁放射を吸収して放出する方法と理由を理解しようとしていました。,
1900年、マックス-プランクがこの問題を解決しました
それは少しニッチに聞こえるかもしれませんが、当時は電灯産業が出現していたので、光を発することができる材料は大きなものでした。
十九世紀の終わりまでに、科学者たちは、物体によって放出される電磁放射の量がその温度に応じて変化することを発見し、これらの変化を測定 でも私が一番驚いたのはなぜでした。
1900年、Max Planckはこの問題を解決しました。, 彼は、計算がそれらの変化を説明できることを発見しましたが、電磁放射が小さな離散的なパケットに保持されていると仮定した場合にのみ。 プランクはこれらを”量子”と呼び、”量子”の複数形である。
数年後、アインシュタインは別の不可解な実験を説明するためにこのアイデアを使用しました。
物理学者は、金属の塊が可視光または紫外光を浴びると正に帯電することを発見しました。 彼らはこれを”光電効果”と呼んだ。,
光が単に波である場合、これはあまり意味をなさない
説明は、金属中の原子が負に帯電した電子を失っていたということ 明らかに、光は金属に十分なエネルギーを供給し、そのうちのいくつかを緩めて振った。
しかし、電子が何をしていたのかの詳細は奇妙でした。 彼らは光の色を変えるだけでより多くのエネルギーを運ぶことができます。 特に、紫色光を浴びた金属から放出された電子は、赤色光を浴びた金属から放出された電子よりも多くのエネルギーを運んだ。,
光が単に波である場合、これはあまり意味をなさない。
あなたは通常、波自体を長くまたは短くするのではなく、高い津波の破壊力を考える–それは高くすることによって波のエネルギー量を変更します。
各量子は離散エネルギーパンチをパックします
延長上、光が電子に移動するエネルギーを増やす最良の方法は、光波を高くすること, 波長、したがって色を変えることは、違いのその位を生じるべきではない。
アインシュタインは、光電効果がプランクの量子の観点から光を考えることによって理解しやすいことに気付きました。
彼は光が小さな量子パケットで運ばれることを示唆しました。 各量子は波長に関連している分離したエネルギー穿孔器を詰める:より短い波長、より密なエネルギー穿孔器。 これは、比較的短波長の紫色光パケットが、比較的長い波長の赤色光パケットよりも多くのエネルギーを運んだ理由を説明するでしょう。,
また、光の明るさを増やすだけで影響が少なくなる理由も説明しました。
より明るい光源は、金属により多くの光パケットを供給するが、それぞれの光パケットが含むエネルギー量を変化させない。 粗雑に言えば、単一の紫色光パケットは、任意の数の赤色光パケットよりも単一の電子により多くのエネルギーを伝達することができる。,
科学者たちは、光が同時に波と粒子の両方として振る舞うことを決定しました
アインシュタインは、これらのエネルギーパケット光子と呼ばれ、これらは現在、基本粒子として認識されています。 可視光は光子によって運ばれ、x線、マイクロ波、電波のような他のすべての種類の電磁放射もそうです。 言い換えれば、光は粒子です。
この時点で、物理学者は光が波として振る舞うのか粒子として振る舞うのかについての議論を終わらせることに決めました。, 両モデルにしたいという説得力をもっ不合格としなければならない。
多くの非物理学者の混乱のために、科学者たちは光が波と粒子の両方として同時に振る舞うと判断しました。 言い換えれば、光はパラドックスです。
物理学者は、しかし、光の分割アイデンティティに問題はありません。 どちらかといえば、それは光が二重に有用になります。 今日、マクスウェルやアインシュタインのような著名人–文字通り”光を与える人”の仕事に基づいて、私たちは光からさらに絞り込んでいます。,
光としての波と光としての粒子を記述するために使用される方程式は同じようにうまく機能しますが、状況によっては他のものよりも使いやす なので物理学者かんたんに切り替えることだけを使用していますのでメートルを記述する独自の高さがスイッチにキロを記述するための自転車があります。
絡み合った粒子は、情報を通信するために使用することができます
一部の物理学者は、光を使用して暗号化された通信チャネル, 彼らにとって、光を粒子と考えるのは理にかなっています。
これは量子物理学の別の奇妙な癖のためです。 二つの基本的な粒子は、光子のペアのように、”絡み合う”ことができます。 つまり、どんなに離れていても特性を共有しているので、地球上の二つの点の間で情報を伝達するために使用することができます。
この絡み合いのもう一つの特徴は、光子が読み取られると光子の量子状態が変化することである。, つまり、誰かが光の量子特性を使用して暗号化されたチャネルを盗聴しようとした場合、理論的にはすぐに彼らの存在を裏切ることになります。
他の人は、Goulielmakisのように、電子機器で光を使用しています。 彼らにとっては、光を飼いならして制御することができる一連の波と考える方がはるかに便利です。
“光場合成装置”と呼ばれる現代の装置は、光波を互いに完全に同期させることができます。 その結果、それらは通常の球根からのライトよりはるかに強く、短命および指示される光パルスを作成する。,
彼らは文字通り動く光波の写真を撮った
この15年間、これらのデバイスは光を特別な程度に飼いならすために使用されてきました。
2004年にGoulielmakisと彼の同僚は、x線放射の信じられないほど短いパルスを生成することができました。 各パルスはわずか250アト秒、または秒の250クインティリオン秒続きました。
カメラのフラッシュのようなこれらの小さなパルスを使用して、彼らはかなり遅く振動する可視光の個々の波の画像をキャプチャすることがで 彼らは文字通り光の波が動いている写真を撮った。,
“光は振動する電磁場であることはMaxwell以来わかっていましたが、振動するときに光を捕らえることができるとは誰も夢見ていませんでした”とGoulielmakis氏は言
これらの個々の光波を見ることは、それらを制御し、彫刻するための最初のステップである、と彼は言う、私たちはすでにラジオやテレビ信号を運ぶ電
一世紀前、光電効果は、可視光が金属中の電子に影響を与えることを示しました。, Goulielmakisは、慎重に定義された方法で金属と相互作用するように成形された可視光波を使用して、これらの電子を正確に操作することが可能であるべき “私たちは光を制御し、それを通して物質を制御することができます”と彼は言います。
人間の目は、可視光を使用して私たちの周りの世界について学ぶ光子検出器です
エレクトロニクスに革命をもたらす可能性があり、今日私たちが持っているものよりも小さくて高速な新世代の光学コンピュータにつながります。, “それは、従来の電子機器ではなく、光を使って固体内部に電流を作り出し、私たちが望む方法で電子を動かすことです。”
だから、光を記述することができるもう一つの方法があります：光はツールです。
それは何も新しいことではありません。 生命は最初の原始的な有機体が光感受性のティッシュを展開して以来ずっとライトを利用している。 人間の目は、私たちの周りの世界について学ぶために可視光を使用する光子検出器です。
現代の技術は、単にこのアイデアをさらに進めています。, 2014年には、ノーベル化学賞は、それが物理的に不可能であると考えられていたので、強力な光学顕微鏡を構築した研究者に授与されました。 それは説得のビットで、光は私たちが見ることはないだろうと思ったものを私たちに示すだろう、と判明しました。