Lys er det som tillater oss å forstå den verden vi lever i. Vårt språk som gjenspeiler dette: etter famlende i mørke, ser vi lys og forståelse morgener.
Men lys er en av de tingene som vi ikke har en tendens til å forstå. Hvis du var å zoome inn på en stråle av lys, hva vil du se? Sikker, lys reiser utrolig fort, men hva er det som gjør det å reise? Mange av oss vil slite med å forklare.
Det trenger ikke å være slik., Lys har sikkert forvirret største tenkere i århundrer, men landemerke funn som er gjort i løpet av de siste 150 årene har ranet lys av sin mystikk. Vi faktisk vet mer eller mindre hva det er.
Ikke bare dagens fysikere forstå arten av lys, de lærer å kontrollere det med stadig større presisjon – som betyr lys kan snart bli satt til å arbeide i overraskende nye måter. Som er en del av grunnen til at fn utpekt 2015 som det Internasjonale Året for Lys.
Det er alle slags måter å beskrive lys., Men det kan hjelpe til å begynne med dette: lys er en form for stråling.
Det var ikke før i slutten av nittende århundre at forskere oppdaget nøyaktig identitet i lys stråling
Dette forhåpentligvis gjør noe fornuftig. Vi alle vet at for mye sollys kan føre til hudkreft. Vi vet også at stråling kan øke risikoen for å utvikle enkelte former for kreft, så det er ikke vanskelig å sette de to sammen.
Men ikke alle former for stråling er den samme., Det var ikke før i slutten av nittende århundre at forskere oppdaget nøyaktig identitet i lys stråling.
Det som er merkelig er at dette funnet ikke kom fra studier av lys. I stedet er det kommet frem fra flere tiår arbeid i arten av elektrisitet og magnetisme.
Elektrisitet og magnetisme virke som ganske forskjellige ting. Men forskere som Hans Christian Oersted og Michael Faraday etablert at de er dypt flettet sammen.
Oersted funnet ut at en elektrisk strøm passerer gjennom en ledning avleder nålen av et magnetisk kompass., I mellomtiden, Faraday oppdaget at å bevege en magnet nær en ledning kan generere en elektrisk strøm i ledningen.
Maxwell viste at elektriske og magnetiske felt reise i form av bølger
Matematikere i dag sett om å bruke disse observasjonene til å lage en teori som beskriver dette merkelige nytt fenomen, som de kalte «elektromagnetisme». Men det var ikke før James Clerk Maxwell sett på problemet som et komplett bilde dukket opp.
Maxwell ‘ s bidrag til vitenskapen er stort., Albert Einstein, som var inspirert av Maxwell, sa at han endret verden for alltid. Blant mange andre ting, hans beregninger hjulpet til med å forklare hva lys er.
Maxwell viste at elektriske og magnetiske felt reise i form av bølger, og at disse bølger bevege seg i hovedsak på lysets hastighet. Denne tillatt Maxwell til å forutse at lyset i seg selv ble gjennomført av elektromagnetiske bølger – som betyr lys er en form for elektromagnetisk stråling.,
I slutten av 1880-tallet, noen år etter Maxwell ‘s død, tyske fysikeren Heinrich Hertz ble den første til å formelt viser at Maxwell’ s teoretiske begrepet den elektromagnetiske bølgen var riktig.
I 1861 han avduket den første holdbar farge fotografi
«jeg er overbevist om at hvis Maxwell og Hertz hadde levd i Nobels fredspris tiden, de ville helt sikkert ha en felles,» sier Graham Hall of University of Aberdeen i STORBRITANNIA – der Maxwell jobbet i slutten av 1850-tallet.,
Maxwell har en plass i annals of vitenskapen for en annen, mer praktisk grunn. I 1861 han avduket den første holdbar farge fotografi, produsert ved hjelp av en tre-farge filter system som fortsatt danner grunnlaget for mange former av farge fotografering i dag.
Likevel, tanken om at lys er en form for elektromagnetisk stråling kan ikke mener for mye. Men denne ideen bidrar til å forklare noe som vi alle forstår: lys er et spekter av farger.
Dette er en observasjon som går tilbake til arbeidet med Isaac Newton., Vi ser dette farge-spekteret i all sin prakt når en regnbue henger på himmelen, og disse fargene er direkte relatert til Maxwell ‘ s begrep av elektromagnetiske bølger.
Mange dyr kan faktisk se ultrafiolett, og så kan noen mennesker
Den røde lys langs den ene kanten av rainbow er elektromagnetisk stråling med en bølgelengde på ca 620 750 nanometres; den fiolette lys langs den motsatte kanten er stråling med en bølgelengde på 380 til 450 nm.
Men det er langt mer til elektromagnetisk stråling enn disse synlige farger., Lys med bølgelengder litt lengre enn rødt lys ser vi kalles infrarød. Lys med bølgelengder litt kortere enn fiolett kalles ultrafiolett.
Mange dyr kan faktisk se ultrafiolett, og så kan noen mennesker, sier Eleftherios Goulielmakis av Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, Tyskland. I noen tilfeller selv infrarød er synlig for mennesker. Kanskje dette er grunnen til at det er ikke uvanlig å se både ultrafiolett og infrarød beskrevet som former for lys.,
Merkelig nok, selv om, kan du gå til enda lengre eller kortere – elektromagnetiske bølgelengder og vi slutte å bruke ordet «lys».
Utover ultrafiolett, elektromagnetiske bølgelengder kan gå kortere enn 100nm. Dette er riket av røntgenstråler og gammastråler. Du vil ikke hører ofte X-stråler beskrevet som en form for lys.
Det er ingen reell fysisk forskjell mellom radiobølger og synlig lys
«En forsker som ikke ville si» jeg er strålende X-ray lys på målet». De ville si «jeg bruker X-rays», sier Goulielmakis.,
i Mellomtiden, går utover infrarød og elektromagnetiske bølgelengder strekker seg 1 cm og med opp til flere tusen kilometer. Disse elektromagnetiske bølger er gitt kjente navn som mikrobølger og radiobølger. Det kan virke rart å tenke på at radiobølgene brukt i kringkasting som lys.
«Det er ingen reell fysisk forskjell mellom radiobølger og synlig lys fra synspunkt av fysikk, sier Goulielmakis. «Du ville beskrive dem med nøyaktig den samme typen av formler og matematikk.»Det er bare vårt daglige språk som behandler dem som annerledes.,
Så har vi en annen definisjon av lys. Det er veldig smalt spekter av elektromagnetisk stråling som våre øyne kan faktisk se. Med andre ord, lys er en subjektiv etikett som vi bruker kun fordi sansene våre er begrenset.
For mer bevis for hvor subjektiv vår konsept av lyset, tenker tilbake til rainbow.
de Fleste mennesker lærer at spekteret av lys inneholder syv viktigste fargene: rød, oransje, gul, grønn, blå, indigo og fiolett. Vi er også gitt praktisk mnemonics og sanger for å huske dem.,
Se på en sterk rainbow og kanskje du kan overbevise deg selv om at alle de syv fargene er på vis. Imidlertid, Newton selv slet med å se dem alle.
faktisk, forskere nå har mistanke om at han bare delt rainbow inn i syv farger fordi tallet syv var så viktig i den gamle verden: for eksempel er det sju notater i en musikalsk skala, og syv dager i uken.
Maxwell ‘ s arbeid på elektromagnetisme tok oss forbi alt dette, og viste at synlig lys var en del av et større spekter av stråling. Det har også virket til slutt til å forklare innholdet av lys.,
For århundrer, forskere hadde blitt prøver å pin ned den faktiske form som lett tar på en grunnleggende skala som går fra en lyskilde for våre øyne.
Newton innsett at det stråler av lys adlød svært strenge geometriske regler
Noen mente at lys reiste i form av bølger, eller bølger, enten gjennom luft eller et mer tåkete «eter». Andre syntes denne bølgen modellen var feil og forestilt meg lett som en strøm av små partikler.,
Newton foretrukne dette andre alternativet, spesielt etter en rekke eksperimenter han utføres ved hjelp av lys og speil.
Han skjønte at det stråler av lys adlød svært strenge geometriske regler. Shine en stråle mot et speil, og det prellet av på nøyaktig samme måte som en ball ville hvis det ble kastet mot speilet. Bølger ikke nødvendigvis bevege seg i en slik forutsigbar rette linjer, han begrunnet, slik at lyset må være utført av noen form av små, vektløst partikler.
problemet er At det var like overbevisende bevis for at lys er en bølge.,
En av de mest berømte demonstrasjoner av dette kom i 1801. Thomas Young ‘ s «double slit experiment» er den slags eksperiment som alle kan gjenskape hjemme.
Ta et ark i tykk-kort og godt å gjøre to tynne vertikale spalter gjennom det. Deretter kan du få en «sammenhengende» lyskilde, som bare produserer lys av en bestemt bølgelengde: en laser vil gjøre pent. Nå skinner lyset gjennom to åpninger på en annen overflate.
På den andre overflaten, kan du forvente å se to lyse vertikale linjer hvor noen av lyset har passert gjennom to spalter., Men når Unge utført eksperimentet, så han en sekvens av lys og mørke linjer snarere som en strekkode.
Når lyset passerer gjennom den tynne spalter, det oppfører seg på samme måte som vann bølger når de passerer gjennom en smal åpning: de diffract og spredte seg ut i form av halvkuleformet bølger.
Hvor den «lette bølger» fra de to spalter traff hverandre ut av fase de avbryter ut, danner mørke barer. Der hvor bølgene traff hverandre i fase, legger de til sammen gjort lyse vertikale linjer.,
youngs eksperiment var overbevisende bevis for bølge-modell, og Maxwell ‘ s arbeid satt ideen på en solid matematisk grunnlag. Lys er en bølge.
Men så kom quantum revolusjon.
I den andre halvdel av det nittende århundre, fysikere var å prøve å forstå hvordan og hvorfor noen materialer absorbert og slippes ut elektromagnetisk stråling bedre enn andre.,
I 1900, Max Planck løst problemet
Det kan høres litt nisje, men det elektriske lyset industrien var nye på den tiden, så materialer som kan avgi lys var en stor ting.
Ved slutten av det nittende århundre, forskere hadde oppdaget at mengden av elektromagnetisk stråling utgitt av et objekt endres avhengig av temperaturen, og de hadde målt disse endringene. Men ingen visste hvorfor det skjedde.
I 1900, Max Planck løst problemet., Han oppdaget at beregningene kan forklare disse endringene, men bare hvis han antok at elektromagnetisk stråling ble holdt i liten diskret pakker. Planck kalt disse «quanta», flertall av «quantum».
Et par år senere, Einstein brukte denne ideen til å forklare en annen underlige eksperiment.
Fysikere hadde oppdaget at en klump av metall blir positivt ladet når den er badet i synlig eller ultrafiolett lys. De kalte dette «fotoelektrisk effekt».,
Dette gjør ikke mye fornuftig hvis lyset er rett og slett en bølge
forklaringen var at atomene i metallet var å miste negativt ladede elektroner. Angivelig, lys levert nok energi til metall å riste noen av dem løs.
Men den detalj av hva elektroner gjorde var merkelig. De kan være laget for å bære mer energi bare ved å endre fargen på lyset. I særdeleshet, er det elektroner som slippes ut fra en metall badet i fiolett lys gjennomført mer energi enn elektroner er utgitt av et metall badet i rødt lys.,
Dette gjør ikke mye fornuftig hvis lyset er rett og slett en bølge.
Du vanligvis endre mengden av energi i en bølge ved å gjøre det høyere – tenk på den destruktive kraften av en høy tsunami – snarere enn ved å bølge seg lengre eller kortere.
Hver quantum pakker en diskret energi punch
Ved utvidelse, den beste måten å øke energien som lys overføringer til elektroner bør være ved å gjøre lys bølger høyere: det er, noe som gjør den lett lysere., Endre bølgelengde, og dermed farge, bør ikke gjøre så mye av en forskjell.
Einstein innså at den fotoelektriske effekten var enklere å forstå ved å tenke på lys i form av plancks quanta.
Han foreslo at lys er gjennomført i små quantum pakker. Hver quantum pakker en diskret energi slag som knytter seg til den bølgelengde: jo kortere bølgelengde, desto tettere energi punch. Dette ville forklare hvorfor fiolett lys pakker, med en relativt kort bølgelengde, gjennomført mer energi enn rødt lys pakker, med en relativt lengre.,
Det forklarte også hvorfor bare øke lysstyrken til lyset gjort mindre av en innvirkning.
Et klarere lys kilde leverer mer lys pakker til metall, men det endrer ikke den mengden energi hvert lys pakken inneholder. Grovt sett kan en enkelt fiolett lys packet kunne overføre mer energi til en enkelt elektron enn noen nummer av rødt lys pakker.,
forskerne bestemte seg for at lyset oppførte seg som både en bølge og en partikkel på samme tid
Einstein kalte disse energi-pakker fotoner, og disse er nå anerkjent som en fundamental partikkel. Synlig lys er gjennomført av fotoner, og så er alle andre typer elektromagnetisk stråling som X-stråler, mikrobølger og radiobølger. Med andre ord, lys er en partikkel.
På dette punktet fysikere besluttet å avslutte debatten om lyset oppførte seg som en bølge eller en partikkel., Begge modellene var så overbevisende at verken kunne bli avvist.
Til forvirring for mange ikke-fysikere, forskerne bestemte seg for at lyset oppførte seg som både en bølge og en partikkel på samme tid. Med andre ord, lys er et paradoks.
Fysikere, men, har ikke noe problem med lys er delt identitet. Hvis noe, det gjør det lett dobbelt nyttig. I dag, bygger på arbeidet til lys – bokstavelig talt «lys-givers» – som Maxwell og Einstein, vi er skvise ut enda mer av lys.,
Det viser seg at ligningene som brukes for å beskrive lys-som-en-bølgen og lett-som-en-partikkel fungerer like godt, men i noen tilfeller er enklere å bruke enn de andre. Så fysikere veksle mellom dem, akkurat som vi bruker meter for å beskrive vår egen høyde, men bytte til en kilometer for å beskrive en sykkel tur.
floke seg partikler kan brukes til å formidle informasjon
Noen fysikere prøver å bruke lys til å opprette krypterte kommunikasjonskanaler: for pengeoverføringer, for eksempel., For dem, er det fornuftig å tenke på lys som partikler.
Dette er på grunn av annen merkelig innfall av kvantefysikken. To fundamentale partikler, som et par av fotoner, kan bli «fanget». Dette betyr at de deler egenskaper uansett hvor langt fra hverandre de er fra hverandre, slik at de kan brukes til å formidle informasjon mellom to punkter på Jorden.
en Annen funksjon i denne forviklinger er at quantum tilstand av fotoner endringer når de er lest., Det betyr at hvis noen prøvde å tyvlytte på en kanal kryptert ved hjelp av quantum egenskaper av lys, ville de, i teorien, umiddelbart forråde sin tilstedeværelse.
Andre, som Goulielmakis, er ved hjelp av lys i elektronikk. For dem er det langt mer nyttig å tenke på lys som en serie av bølger som kan bli temmet og kontrollert.
Moderne enheter kalt «lys feltet talesynteser» kan corral lys bølger i perfekt synkronisert med hverandre. Som et resultat, kan de skape lys pulser som er langt mer intens, kortvarig og regissert enn lys fra en vanlig pære.,
De bokstavelig talt tok bilder av lys bølger beveger
i Løpet av de siste 15 årene, og disse enhetene har vært brukt for å dempe lyset til en ekstraordinær grad.
I 2004 Goulielmakis og hans kolleger klarte å produsere utrolig korte pulser av røntgenstråling. Hver puls som varte bare 250 attoseconds, eller 250 quintillionths av et sekund.
ved Hjelp av disse små pulser som et kamera, flash, klarte de å ta bilder av individuelle bølger av synlig lys, som oscillerer heller saktere. De bokstavelig talt tok bilder av lys bølger beveger seg.,
«Vi har kjent siden Maxwell at lys er en oscillerende elektromagnetiske felt, men ingen hadde trodd at vi ville være i stand til å fange lyset så det svinger, sier Goulielmakis.
Ser de individuelle lys bølger er et første skritt mot å kontrollere og å skulpturere dem, sier han, mye som vi allerede forme mye lenger elektromagnetiske bølger, som radiobølger som bærer radio-og tv-signaler.
Et århundre siden, fotoelektrisk effekt, viste at synlig lys påvirker elektroner i et metall., Goulielmakis sier det bør være mulig å presist manipulere de elektroner, ved hjelp av synlig lys bølger som har blitt formet til å samhandle med metaller i en nøye definert måte. «Vi kan styre lys, og gjennom det kan vi kontrollere saken, sier han.
Menneskelige øyne er foton detektorer som bruker synlig lys til å lære om verden rundt oss
Som kan revolusjonere elektronikken, som fører til nye generasjoner av optisk datamaskiner som er mindre og raskere enn de vi har i dag., «Det handler om innstillingen elektroner i bevegelse, på måter som vi ønsker, å lage elektrisk strøm inne i faste stoffer ved hjelp av lys, i stedet for konvensjonell elektronikk.»
Så er det en måte mer lys kan beskrives: light er et verktøy.
Det er ikke noe nytt. Livet har vært å utnytte lys helt siden de første primitive organismer utviklet seg lys-sensitive vev. Menneskelige øyne er foton detektorer som bruker synlig lys til å lære om verden rundt oss.
Moderne teknologi er ganske enkelt å ta denne ideen videre., I 2014, nobelprisen i Kjemi ble delt ut til forskere som har bygget et lys mikroskop så kraftig, det var antatt å være fysisk umulig. Det viste seg at, med litt overtalelse, lys ville vise oss ting vi trodde at vi aldri ville se.