licht is wat ons in staat stelt om de wereld waarin we leven te begrijpen. Onze taal weerspiegelt dit: na tasten in het donker, zien we het licht en het begrip daagt.
toch is licht een van die dingen die we niet vaak begrijpen. Als je inzoomt op een lichtstraal, wat zou je dan zien? Natuurlijk, licht reist ongelooflijk snel, maar wat doet het reizen? Velen van ons zouden moeite hebben om het uit te leggen.
Het hoeft niet zo te zijn., Licht heeft de grootste geesten eeuwenlang verbaasd, maar historische ontdekkingen in de afgelopen 150 jaar hebben licht van zijn mysterie beroofd. We weten eigenlijk, min of meer, wat het is.niet alleen begrijpen de hedendaagse natuurkundigen de aard van licht, ze leren het met steeds grotere precisie te beheersen-wat betekent dat licht binnenkort op verrassende nieuwe manieren aan het werk kan worden gezet. Dat is een deel van de reden waarom de Verenigde Naties 2015 hebben aangewezen als het Internationale Jaar van licht.
Er zijn allerlei manieren om licht te beschrijven., Maar het zou kunnen helpen om hiermee te beginnen: licht is een vorm van straling.
pas aan het eind van de negentiende eeuw ontdekten wetenschappers de exacte identiteit van lichtstraling
Dit is hopelijk zinvol. We weten allemaal dat te veel zonlicht huidkanker kan veroorzaken. We weten ook dat blootstelling aan straling het risico op het ontwikkelen van bepaalde vormen van kanker kan verhogen, dus het is niet moeilijk om die twee samen te stellen.
maar niet alle vormen van straling zijn hetzelfde., Pas in de late negentiende eeuw ontdekten wetenschappers de exacte identiteit van lichtstraling.
het vreemde is dat deze ontdekking niet afkomstig is van de studie van licht. In plaats daarvan ontstond het uit tientallen jaren werk in de aard van elektriciteit en magnetisme.
elektriciteit en magnetisme lijken heel andere dingen. Maar wetenschappers als Hans Christian Oersted en Michael Faraday stelden vast dat ze diep verstrengeld zijn.
Oersted ontdekte dat een elektrische stroom door een draad de naald van een magnetisch kompas afbuigt., Ondertussen ontdekte Faraday dat het verplaatsen van een magneet in de buurt van een draad een elektrische stroom in de draad kan genereren.
Maxwell toonde aan dat elektrische en magnetische velden zich verplaatsen op de manier van golven
wiskundigen van die tijd begonnen deze waarnemingen te gebruiken om een theorie te creëren die dit vreemde nieuwe fenomeen beschrijft, dat zij “elektromagnetisme”noemden. Maar pas toen James Clerk Maxwell naar het probleem keek, kwam er een compleet beeld.Maxwell ‘ s bijdrage aan de wetenschap is enorm., Albert Einstein, die geïnspireerd was door Maxwell, zei dat hij de wereld voor altijd veranderde. Zijn berekeningen hielpen onder andere verklaren wat licht is.
Maxwell toonde aan dat elektrische en magnetische velden zich verplaatsen op de manier van golven, en dat deze golven zich hoofdzakelijk bewegen met de snelheid van het licht. Hierdoor kon Maxwell voorspellen dat licht zelf werd gedragen door elektromagnetische golven – wat betekent dat licht een vorm van elektromagnetische straling is.,in de late jaren 1880, een paar jaar na de dood van Maxwell, was de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz de eerste die formeel aantoonde dat Maxwell ‘ s theoretische concept van de elektromagnetische golf juist was.in 1861 onthulde hij de eerste duurzame kleurenfoto
“Ik ben ervan overtuigd dat als Maxwell en Hertz in het Nobelprijstijdperk hadden geleefd, zij er zeker één zouden hebben gedeeld,” zegt Graham Hall van de Universiteit van Aberdeen in het Verenigd Koninkrijk – waar Maxwell eind 1850 werkte.,Maxwell heeft om een andere, meer praktische reden een plaats in de annalen van de lichtwetenschap. In 1861 onthulde hij de eerste duurzame kleurenfoto, geproduceerd met behulp van een driekleurenfiltersysteem dat vandaag de dag nog steeds de basis vormt van vele vormen van kleurenfotografie.
toch kan het idee dat licht een vorm van elektromagnetische straling is niet veel betekenen. Maar dit idee helpt om iets te verklaren dat we allemaal begrijpen: licht is een spectrum van kleuren.
Dit is een observatie die teruggaat naar het werk van Isaac Newton., We zien dit kleurenspectrum in al zijn glorie wanneer er een regenboog aan de hemel hangt – en die kleuren hebben direct betrekking op Maxwell ‘ s concept van elektromagnetische golven.
veel dieren kunnen ultraviolet zien, net als sommige mensen
het rode licht langs de ene kant van de Regenboog is elektromagnetische straling met een golflengte van ongeveer 620 tot 750 nanometer; het violette licht langs de andere kant is straling met een golflengte van 380 tot 450nm.
maar er is veel meer aan elektromagnetische straling dan deze zichtbare kleuren., Licht met een golflengte die iets langer is dan het rode licht dat we zien heet infrarood. Licht met golflengten iets korter dan violet wordt ultraviolet genoemd.veel dieren kunnen ultraviolet zien, net als sommige mensen, zegt Eleftherios Goulielmakis van het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching, Duitsland. In sommige omstandigheden is zelfs infrarood zichtbaar voor mensen. Misschien is dit de reden waarom het niet ongewoon is om zowel ultraviolet als infrarood beschreven te zien als vormen van licht.,
vreemd genoeg, Ga naar nog langere – of kortere – elektromagnetische golflengten en we stoppen met het gebruik van het woord “licht”.
voorbij ultraviolet kunnen elektromagnetische golflengten korter zijn dan 100 nm. Dit is het rijk van röntgenstralen en gammastralen. Je zult niet vaak röntgenstralen horen als een vorm van licht.
Er is geen echt fysiek verschil tussen radiogolven en zichtbaar licht
” een wetenschapper zou niet zeggen ‘ik schijn Röntgenlicht op het doel’. Ze zouden zeggen ‘Ik gebruik röntgenfoto’ s’,” zegt Goulielmakis.,
ondertussen, ga verder dan infrarood en elektromagnetische golflengte strekt zich uit tot 1 cm en zelfs tot duizenden kilometers. Deze elektromagnetische golven krijgen bekende namen als microgolven en radiogolven. Het lijkt misschien vreemd om te denken aan de radiogolven gebruikt in uitzendingen als licht.
” Er is geen echt fysiek verschil tussen radiogolven en zichtbaar licht vanuit het oogpunt van de fysica, ” zegt Goulielmakis. “Je zou ze beschrijven met precies dezelfde soort vergelijkingen en wiskunde.”Het is alleen onze alledaagse taal die ze anders behandelt.,
dus we hebben een andere definitie van licht. Het is het zeer nauwe bereik van elektromagnetische straling dat onze ogen daadwerkelijk kunnen zien. Met andere woorden, licht is een subjectief label dat we alleen gebruiken omdat onze zintuigen beperkt zijn.voor meer bewijs van hoe subjectief ons concept van licht is, denk terug aan de regenboog.
De meeste mensen leren dat het spectrum van licht zeven hoofdkleuren bevat: rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet. We krijgen zelfs handige geheugensteuntjes en liedjes om ze te onthouden.,
Kijk naar een sterke regenboog en je kunt jezelf waarschijnlijk overtuigen dat alle zeven kleuren te zien zijn. Echter, Newton zelf worstelde om ze allemaal te zien.in feite vermoeden onderzoekers nu dat hij de regenboog alleen in zeven kleuren verdeelde omdat het getal zeven zo belangrijk was in de oude wereld: er zijn bijvoorbeeld zeven noten in een muziekschaal, en zeven dagen in een week.Maxwell ‘ s werk over elektromagnetisme bracht ons voorbij dit alles, en toonde aan dat zichtbaar licht deel uitmaakte van een groter spectrum van straling. Het leek ook eindelijk de aard van het licht te verklaren.,eeuwenlang probeerden wetenschappers de werkelijke vorm van licht vast te stellen op een fundamentele schaal als het van een lichtbron naar onze ogen reist.
Newton realiseerde zich dat lichtstralen zeer strikte geometrische regels volgden
sommigen dachten dat licht reisde in de vorm van golven of rimpelingen, hetzij door de lucht of een meer nevelige “ether”. Anderen dachten dat dit golfmodel verkeerd was en verbeeldden zich licht als een stroom van kleine deeltjes.,
Newton gaf de voorkeur aan deze tweede optie, vooral na een reeks experimenten die hij uitvoerde met behulp van licht en spiegels.
hij realiseerde zich dat lichtstralen zeer strikte geometrische regels volgden. Schijn een straal tegen een spiegel en het stuiterde af op precies dezelfde manier als een bal zou worden gegooid tegen de spiegel. Golven bewegen niet per se in zulke voorspelbare rechte lijnen, zo redeneerde hij, dus licht moet worden gedragen door een vorm van kleine, gewichtloze deeltjes.
het probleem is, er was net zo overtuigend bewijs dat licht een golf is.,een van de bekendste demonstraties hiervan vond plaats in 1801. Thomas Young ‘ s “double spleet experiment” is het soort experiment dat iedereen thuis kan repliceren.
neem een vel dikke kaart en maak er voorzichtig twee dunne verticale spleten doorheen. Dan krijg je een” coherente ” lichtbron, die alleen licht van een bepaalde golflengte produceert: een laser zal goed doen. Schijn nu het licht door de twee spleten op een ander oppervlak.
op dat tweede oppervlak zou je twee heldere verticale lijnen kunnen verwachten waar een deel van het licht door de twee spleten is gegaan., Maar toen Young het experiment uitvoerde, zag hij een opeenvolging van lichte en donkere lijnen als een streepjescode.
wanneer het licht door de dunne spleten gaat, gedraagt het zich op dezelfde manier als watergolven doen wanneer ze door een smalle opening gaan: ze diffracteren en verspreiden zich in de vorm van halfronde rimpelingen.
wanneer de “lichte rimpelingen” van de twee spleten elkaar uit fase raken, heffen ze elkaar op en vormen donkere balken. Waar de rimpelingen elkaar in fase raken, vormen ze samen heldere verticale lijnen.,Young ’s experiment was overtuigend bewijs van het golfmodel, en Maxwell’ s werk zette het idee op een solide wiskundige basis. Licht is een golf.
maar toen kwam de kwantumrevolutie.in de tweede helft van de negentiende eeuw probeerden natuurkundigen beter te begrijpen hoe en waarom sommige materialen elektromagnetische straling absorbeerden en uitzenden dan andere.,
in 1900 loste Max Planck het probleem op
dat misschien een beetje niche klinkt, maar de elektrische lichtindustrie was in opkomst op dat moment, dus materialen die licht konden uitzenden waren een groot ding.tegen het einde van de negentiende eeuw hadden wetenschappers ontdekt dat de hoeveelheid elektromagnetische straling die door een object vrijkwam, veranderde afhankelijk van de temperatuur, en zij hadden deze veranderingen gemeten. Maar niemand wist waarom het gebeurde.
in 1900 loste Max Planck het probleem op., Hij ontdekte dat de berekeningen die veranderingen konden verklaren, maar alleen als hij ervan uitging dat de elektromagnetische straling in kleine discrete pakketjes werd gehouden. Planck noemde deze “quanta”, het meervoud van”quantum”.
een paar jaar later gebruikte Einstein dit idee om een ander raadselachtig experiment uit te leggen.
natuurkundigen hadden ontdekt dat een stuk metaal positief geladen wordt wanneer het wordt gebaad in zichtbaar of ultraviolet licht. Ze noemden dit het”foto-elektrisch effect”.,
Dit heeft weinig zin als licht gewoon een golf is
de verklaring was dat atomen in het metaal negatief geladen elektronen verlieten. Blijkbaar leverde het licht genoeg energie aan het metaal om er een paar los te schudden.
maar de details van wat de elektronen deden waren vreemd. Ze kunnen meer energie dragen door simpelweg de kleur van het licht te veranderen. Met name de elektronen die vrijkomen uit een metaal dat baadt in violet licht, droegen meer energie dan de elektronen die vrijkomen bij een metaal dat baadt in rood licht.,
Dit heeft niet veel zin als licht gewoon een golf is.
u verandert meestal de hoeveelheid energie in een golf door deze groter te maken – denk aan de vernietigende kracht van een grote tsunami – in plaats van de golf zelf langer of korter te maken.
elk kwantum heeft een discrete energiepons
bij uitbreiding zou de beste manier om de energie die licht naar de elektronen overdraagt, te verhogen zijn door de lichtgolven groter te maken, dat wil zeggen, het licht helderder te maken., Het veranderen van de golflengte, en dus de kleur, zou niet zoveel verschil moeten maken.
Einstein realiseerde zich dat het foto-elektrisch effect gemakkelijker te begrijpen was door te denken aan licht in termen van Planck ‘ s quanta.
hij suggereerde dat licht wordt vervoerd in kleine kwantumpakketten. Elk kwantum heeft een discrete energiestoot die gerelateerd is aan de golflengte: hoe korter de golflengte, hoe dichter de energiestoot. Dit zou verklaren waarom violette lichtpakketten, met een relatief korte golflengte, meer energie bevatten dan rode lichtpakketten, met een relatief langere.,
Het legde ook uit waarom het verhogen van de helderheid van het licht minder effect had.
een helderdere lichtbron levert meer lichtpakketten aan het metaal, maar het verandert niet de hoeveelheid energie die elk Lichtpakket bevat. Grof gezegd, een enkel violet licht pakket kan meer energie overbrengen naar een enkel elektron dan een aantal rode licht pakketten.,
de wetenschappers besloten dat licht zich tegelijkertijd gedroeg als een golf en een deeltje
Einstein noemde deze energiepakketten fotonen, en deze worden nu herkend als een fundamenteel deeltje. Zichtbaar licht wordt gedragen door fotonen, net als alle andere soorten elektromagnetische straling zoals röntgenstralen, microgolven en radiogolven. Met andere woorden, licht is een deeltje.
Op dit punt besloten natuurkundigen het debat over de vraag of licht zich gedroeg als een golf of een deeltje te beëindigen., Beide modellen waren zo overtuigend dat geen van beide kon worden afgewezen.tot verwarring van veel niet-natuurkundigen besloten de wetenschappers dat licht zich tegelijkertijd gedroeg als een golf en een deeltje. Met andere woorden, licht is een paradox.
natuurkundigen hebben echter geen probleem met de gesplitste identiteit van licht. Het maakt licht dubbel nuttig. Vandaag, voortbouwend op het werk van hemellichten – letterlijk “licht-gevers” – zoals Maxwell en Einstein, persen we nog meer uit het licht.,
Het blijkt dat de vergelijkingen die worden gebruikt om licht-als-een-golf en licht-als-een-deeltje te beschrijven, even goed werken, maar in sommige omstandigheden is de ene gemakkelijker te gebruiken dan de andere. Natuurkundigen schakelen tussen hen, net zoals we meters gebruiken om onze eigen hoogte te beschrijven, maar overschakelen naar kilometers om een fietstocht te beschrijven.
verstrengelde deeltjes kunnen worden gebruikt om informatie te communiceren
sommige natuurkundigen proberen licht te gebruiken om versleutelde communicatiekanalen te creëren: voor geldovermakingen, bijvoorbeeld., Voor hen is het zinvol om licht te zien als deeltjes.
Dit komt door een andere vreemde gril in de kwantumfysica. Twee fundamentele deeltjes, zoals een paar fotonen, kunnen “verstrengeld” zijn. Dit betekent dat ze eigenschappen delen, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn, zodat ze kunnen worden gebruikt om informatie te communiceren tussen twee punten op aarde.
een ander kenmerk van deze verstrengeling is dat de kwantumtoestand van de fotonen verandert wanneer ze worden gelezen., Dat betekent dat als iemand probeert een gecodeerd kanaal af te luisteren met behulp van de kwantumeigenschappen van licht, ze in theorie onmiddellijk hun aanwezigheid verraden.
anderen, zoals Goulielmakis, gebruiken licht in elektronica. Voor hen is het veel nuttiger om licht te zien als een reeks golven die getemd en gecontroleerd kunnen worden.
moderne apparaten genaamd “light field synthesizers” kunnen lichtgolven perfect synchroniseren met elkaar. Als gevolg hiervan creëren ze lichtpulsen die veel intenser, kortstondig en gericht zijn dan het licht van een gewone lamp.,
ze namen letterlijk foto ‘ s van bewegende lichtgolven
in de afgelopen 15 jaar zijn deze apparaten gebruikt om licht in buitengewone mate te temmen.in 2004 slaagden Goulielmakis en zijn collega ‘ s erin om ongelooflijk korte pulsen van röntgenstraling te produceren. Elke puls duurde slechts 250 attoseconden, of 250 kwintillionsten van een seconde.
met behulp van deze kleine pulsen als een flitser van de camera, slaagden ze erin om beelden vast te leggen van individuele golven zichtbaar licht, die eerder langzamer oscilleren. Ze namen letterlijk foto ‘ s van bewegende lichtgolven.,”we weten sinds Maxwell dat licht een oscillerend elektromagnetisch veld is, maar niemand droomde dat we het licht zouden kunnen vangen terwijl het oscilleert,” zegt Goulielmakis.
het zien van die individuele lichtgolven is een eerste stap naar het beheersen en beeldhouwen ervan, zegt hij, net zoals we al veel langere elektromagnetische golven beeldhouwen, zoals de radiogolven die radio-en televisiesignalen dragen.
een eeuw geleden toonde het foto-elektrisch effect aan dat zichtbaar licht de elektronen in een metaal beïnvloedt., Goulielmakis zegt dat het mogelijk moet zijn om die elektronen precies te manipuleren, met behulp van zichtbare lichtgolven die gevormd zijn om op een zorgvuldig gedefinieerde manier te interageren met de metalen. “We kunnen het licht beheersen, en daardoor kunnen we materie beheersen,” zegt hij.
menselijke ogen zijn fotondetectoren die zichtbaar licht gebruiken om de wereld om ons heen te leren kennen
die een revolutie in de elektronica kunnen teweegbrengen, wat leidt tot nieuwe generaties optische computers die kleiner en sneller zijn dan die we nu hebben., “Het gaat erom elektronen in beweging te zetten op de manier die we willen, door elektrische stromen in vaste stoffen te creëren met behulp van licht, in plaats van conventionele elektronica.”
Er is nog een manier waarop licht kan worden beschreven: licht is een hulpmiddel.
dat is niets nieuws. Het leven gebruikt licht sinds de eerste primitieve organismen lichtgevoelige weefsels ontwikkelden. Menselijke ogen zijn fotondetectoren die zichtbaar licht gebruiken om de wereld om ons heen te leren kennen.
met de moderne technologie wordt dit idee alleen maar verder uitgediept., In 2014 werd de Nobelprijs voor de Scheikunde toegekend aan onderzoekers die een lichtmicroscoop bouwden die zo krachtig was dat het fysiek onmogelijk werd geacht. Het bleek dat, met een beetje overreding, licht ons dingen zou laten zien waarvan we dachten dat we ze nooit zouden zien.