światło pozwala nam zrozumieć świat, w którym żyjemy. Nasz język odzwierciedla to: po omacku w ciemności widzimy światło i zrozumienie świta.
jednak światło jest jedną z tych rzeczy, których nie rozumiemy. Gdybyś przybliżył promień światła, co byś zobaczył? Jasne, światło podróżuje niesamowicie szybko, ale co to jest, że robi podróży? Wielu z nas ma trudności z wyjaśnieniem.
nie musi tak być., Światło z pewnością zaskoczyło największe umysły od wieków, ale przełomowe odkrycia dokonane w ciągu ostatnich 150 lat pozbawiły światło tajemnicy. Właściwie wiemy, mniej więcej, co to jest.
dzisiejsi fizycy nie tylko rozumieją naturę światła, ale uczą się go kontrolować z coraz większą precyzją-co oznacza, że światło może wkrótce zostać uruchomione w zaskakujący nowy sposób. Jest to jeden z powodów, dla których Organizacja Narodów Zjednoczonych ogłosiła rok 2015 Międzynarodowym Rokiem światła.
istnieje wiele sposobów na opisanie światła., Ale może pomóc zacząć od tego: światło jest formą promieniowania.
dopiero pod koniec XIX wieku naukowcy odkryli dokładną tożsamość promieniowania świetlnego
mam nadzieję, że ma to jakiś sens. Wszyscy wiemy, że zbyt dużo światła słonecznego może wywołać raka skóry. Wiemy również, że narażenie na promieniowanie może zwiększać ryzyko rozwoju niektórych form raka, więc nie jest trudno je połączyć.
ale nie wszystkie formy promieniowania są takie same., Dopiero pod koniec XIX wieku naukowcy odkryli dokładną tożsamość promieniowania świetlnego.
dziwne jest to, że to odkrycie nie pochodzi z badań światła. Zamiast tego wyłonił się z dziesięcioleci pracy w naturze elektryczności i magnetyzmu.
elektryczność i magnetyzm wydają się zupełnie innymi rzeczami. Ale naukowcy tacy jak Hans Christian Oersted i Michael Faraday stwierdzili, że są one głęboko splecione.
Oersted odkrył, że prąd elektryczny przechodzący przez przewód odchyla igłę kompasu magnetycznego., Tymczasem Faraday odkrył, że przesuwanie magnesu w pobliżu drutu może generować prąd elektryczny w drucie.
Maxwell wykazał, że pola elektryczne i magnetyczne przemieszczają się w sposób falowy
Matematycy dnia postanowili wykorzystać te obserwacje do stworzenia teorii opisującej to dziwne zjawisko, które nazwali „elektromagnetyzmem”. Ale dopiero, gdy James Clerk Maxwell spojrzał na problem, pojawił się pełny obraz.
wkład Maxwella w naukę jest ogromny., Albert Einstein, który był inspirowany przez Maxwella, powiedział, że zmienił świat na zawsze. Między innymi jego obliczenia pomogły wyjaśnić, czym jest światło.
Maxwell pokazał, że pola elektryczne i magnetyczne poruszają się w sposób falowy, a fale te poruszają się zasadniczo z prędkością światła. To pozwoliło Maxwellowi przewidzieć, że samo światło było przenoszone przez fale elektromagnetyczne – co oznacza, że światło jest formą promieniowania elektromagnetycznego.,
pod koniec lat osiemdziesiątych, kilka lat po śmierci Maxwella, niemiecki fizyk Heinrich Hertz jako pierwszy formalnie zademonstrował poprawność teoretycznej koncepcji fali elektromagnetycznej Maxwella.
w 1861 roku zaprezentował pierwszą trwałą kolorową fotografię
„jestem przekonany, że gdyby Maxwell i Hertz żyli w epoce Nagrody Nobla, z pewnością by się podzielili”, mówi Graham Hall z Uniwersytetu w Aberdeen w Wielkiej Brytanii, gdzie Maxwell pracował pod koniec lat 50.,
Maxwell zajmuje miejsce w annals of light science z innego, bardziej praktycznego powodu. W 1861 roku zaprezentował pierwszą trwałą fotografię kolorową, wykonaną przy użyciu trójkolorowego systemu filtrów, który do dziś stanowi podstawę wielu form fotografii kolorowej.
mimo to idea, że światło jest formą promieniowania elektromagnetycznego, może nie oznaczać zbyt wiele. Ale ta idea pomaga wyjaśnić coś, co wszyscy rozumiemy: światło jest spektrum kolorów.
jest to spostrzeżenie, które sięga do pracy Isaaca Newtona., Widzimy to spektrum kolorów w całej okazałości za każdym razem, gdy na niebie wisi tęcza – i kolory te odnoszą się bezpośrednio do koncepcji fal elektromagnetycznych Maxwella.
wiele zwierząt może rzeczywiście zobaczyć ultrafiolet, podobnie jak niektórzy ludzie
czerwone światło wzdłuż jednej krawędzi tęczy jest promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali około 620 do 750 nanometrów; fioletowe światło wzdłuż przeciwnej krawędzi jest promieniowanie o długości fali 380 do 450nm.
ale jest o wiele więcej promieniowania elektromagnetycznego niż te widoczne kolory., Światło o długościach fal nieco dłuższych niż światło czerwone, które widzimy, nazywa się podczerwienią. Światło o długościach fal nieco krótszych od fioletowego nazywa się ultrafioletem.
wiele zwierząt widzi ultrafiolet, podobnie jak niektórzy ludzie, mówi Eleftherios Goulielmakis z Instytutu optyki kwantowej Maxa Plancka w Garching w Niemczech. W niektórych okolicznościach nawet PODCZERWIEŃ jest widoczna dla ludzi. Być może dlatego nierzadko zdarza się widzieć zarówno ultrafiolet, jak i podczerwień opisane jako formy światła.,
Co ciekawe, wybieramy nawet dłuższe – lub krótsze – fale elektromagnetyczne i przestajemy używać słowa „Światło”.
poza ultrafioletem, fale elektromagnetyczne mogą być krótsze niż 100 nm. To jest królestwo promieni rentgenowskich i gamma. Nie często usłyszysz promienie rentgenowskie opisane jako forma światła.
nie ma rzeczywistej fizycznej różnicy między falami radiowymi a światłem widzialnym
„naukowiec nie powiedziałby” świecę światłem rentgenowskim na cel”. Powiedzieliby: „używam prześwietlenia” – mówi Goulielmakis.,
tymczasem wyjście poza podczerwień i długości fal elektromagnetycznych rozciąga się do 1 cm, a nawet do tysięcy kilometrów. Te fale elektromagnetyczne są znane nazwy, takie jak mikrofale i fale radiowe. To może wydawać się dziwne myśleć o falach radiowych używanych w nadawaniu jako światło.
„nie ma rzeczywistej fizycznej różnicy między falami radiowymi a światłem widzialnym z punktu widzenia fizyki”, mówi Goulielmakis. „Opisałbyś je dokładnie takimi samymi równaniami i matematyką.”Tylko nasz codzienny język traktuje je jako inne.,
mamy więc inną definicję światła. Jest to bardzo wąski zakres promieniowania elektromagnetycznego, który nasze oczy mogą zobaczyć. Innymi słowy, światło jest subiektywną etykietą, której używamy tylko dlatego, że nasze zmysły są ograniczone.
aby uzyskać więcej dowodów na to, jak subiektywna jest nasza koncepcja światła, przypomnij sobie tęczę.
większość ludzi dowiaduje się, że widmo światła zawiera siedem głównych kolorów: Czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy. Dostajemy nawet przydatne mnemotechniki i piosenki, aby je zapamiętać.,
spójrz na mocną tęczę, a prawdopodobnie przekonasz się, że wszystkie siedem kolorów jest na pokazie. Jednak sam Newton starał się zobaczyć je wszystkie.
w rzeczywistości badacze podejrzewają, że podzielił tęczę tylko na siedem kolorów, ponieważ liczba siedem była tak znacząca w starożytnym świecie: na przykład jest siedem nut w skali muzycznej i siedem dni w tygodniu.
praca Maxwella nad elektromagnetyzmem pozwoliła nam przejść przez to wszystko i pokazała, że światło widzialne jest częścią większego spektrum promieniowania. Wydawało się również, że w końcu wyjaśnia naturę światła.,
przez wieki naukowcy starali się określić rzeczywistą formę, jaką światło przybiera w podstawowej skali, gdy przemieszcza się ze źródła światła do naszych oczu.
Newton zdał sobie sprawę, że promienie światła przestrzegają bardzo surowych reguł geometrycznych
niektórzy myśleli, że światło podróżuje w postaci fal lub fal, albo przez powietrze lub bardziej mglistego „eteru”. Inni uważali ten model falowy za błędny i wyobrażali sobie światło jako strumień drobnych cząstek.,
Newton preferował tę drugą opcję, szczególnie po serii eksperymentów wykonywanych przy użyciu światła i luster.
zdał sobie sprawę, że promienie światła przestrzegają bardzo surowych reguł geometrycznych. Świeć promieniem o lustro i odbija się dokładnie w taki sam sposób, jak piłka, gdyby została rzucona o lustro. Fale niekoniecznie poruszają się w tak przewidywalnych liniach prostych, więc światło musi być przenoszone przez jakąś formę małych, nieważkich cząstek.
problem w tym, że były równie przekonujące dowody na to, że światło jest falą.,
jedna z najbardziej znanych demonstracji tego miała miejsce w 1801 roku. „Double slit experiment” Thomasa Younga jest rodzajem eksperymentu, który każdy może powtórzyć w domu.
weź arkusz grubej karty i ostrożnie zrób przez nią dwa cienkie pionowe szczeliny. Następnie uzyskaj „koherentne” źródło światła, które wytwarza tylko światło o określonej długości fali: laser poradzi sobie dobrze. Teraz poświeć światło przez dwie szczeliny na inną powierzchnię.
na tej drugiej powierzchni można spodziewać się dwóch jasnych pionowych linii, w których część światła przeszła przez dwie szczeliny., Ale kiedy Young przeprowadził eksperyment, zobaczył sekwencję jasnych i ciemnych linii, przypominającą Kod kreskowy.
Kiedy światło przechodzi przez cienkie szczeliny, zachowuje się tak samo, jak fale wodne, gdy przechodzą przez wąski otwór: rozpraszają się i rozprzestrzeniają w postaci półkulistych fal.
W Przypadku, Gdy „lekkie fale” z dwóch szczelin uderzają w siebie z fazy, anulują się, tworząc ciemne paski. Tam, gdzie fale uderzają w siebie w fazie, dodają się do siebie, tworząc jasne pionowe linie.,
eksperyment Younga był przekonującym dowodem modelu falowego, a praca Maxwella postawiła ten pomysł na solidnych podstawach matematycznych. Światło to fala.
ale potem przyszła rewolucja kwantowa.
w drugiej połowie XIX wieku fizycy starali się zrozumieć, w jaki sposób i dlaczego niektóre materiały pochłaniają i emitują promieniowanie elektromagnetyczne lepiej niż inne.,
w 1900 roku Max Planck rozwiązał problem
który może wydawać się nieco niszowy, ale przemysł oświetlenia elektrycznego rozwijał się w tym czasie, więc materiały, które mogły emitować światło, były dużą rzeczą.
pod koniec XIX wieku naukowcy odkryli, że ilość promieniowania elektromagnetycznego uwalnianego przez obiekt zmienia się w zależności od jego temperatury i zmierzyli te zmiany. Ale nikt nie wiedział, dlaczego to się stało.
w 1900 roku Max Planck rozwiązał problem., Odkrył, że obliczenia mogą wyjaśnić te zmiany, ale tylko wtedy, gdy zakłada, że promieniowanie elektromagnetyczne jest utrzymywane w małych dyskretnych pakietach. Planck nazwał je „quanta”, liczba mnoga „quantum”.
kilka lat później Einstein wykorzystał ten pomysł do wyjaśnienia kolejnego zagadkowego eksperymentu.
fizycy odkryli, że kawałek metalu staje się naładowany dodatnio, gdy jest skąpany w świetle widzialnym lub ultrafioletowym. Nazwali to „efektem fotoelektrycznym”.,
To nie ma większego sensu, jeśli światło jest po prostu falą
wyjaśniono, że atomy w metalu traciły ujemnie naładowane elektrony. Najwyraźniej światło dostarczyło metalowi wystarczająco dużo energii, aby wytrząsnąć niektóre z nich.
ale szczegóły tego, co robiły elektrony, były dziwne. Mogą być wykonane do przenoszenia więcej energii po prostu poprzez zmianę koloru światła. W szczególności elektrony uwolnione z metalu skąpanego w fioletowym świetle niosą więcej energii niż elektrony uwolnione przez metal skąpany w czerwonym świetle.,
to nie ma sensu, jeśli światło jest po prostu falą.
Zwykle zmieniasz ilość energii w fali, czyniąc ją wyższą – pomyśl o niszczycielskiej mocy wysokiego tsunami – zamiast przez to, że sama fala jest dłuższa lub krótsza.
każdy kwant jest dyskretnym uderzeniem energii
w związku z tym najlepszym sposobem na zwiększenie energii, którą światło przenosi na elektrony, jest podniesienie fal świetlnych, czyli rozjaśnienie światła., Zmiana długości fali, a tym samym koloru, nie powinna mieć aż takiej różnicy.
Einstein zdał sobie sprawę, że efekt fotoelektryczny jest łatwiejszy do zrozumienia, myśląc o świetle w kategoriach kwantów Plancka.
zasugerował, że światło jest przenoszone w małych pakietach kwantowych. Każdy kwant posiada dyskretny cios energii, który odnosi się do długości fali: im krótsza długość fali, tym gęstszy cios energii. To by wyjaśniało, dlaczego Pakiety światła fioletowego, o stosunkowo krótkiej długości fali, niosły więcej energii niż pakiety światła czerwonego, ze stosunkowo dłuższym.,
wyjaśniono również, dlaczego po prostu zwiększenie jasności światła miało mniejszy wpływ.
jaśniejsze źródło światła dostarcza więcej pakietów światła do metalu, ale nie zmienia ilości energii, którą zawiera każdy pakiet światła. Mówiąc brutalnie, pojedynczy pakiet światła fioletowego może przenosić więcej energii na pojedynczy elektron niż jakakolwiek liczba pakietów światła czerwonego.,
naukowcy zdecydowali, że światło zachowuje się zarówno jako fala, jak i cząstka w tym samym czasie
Einstein nazwał te pakiety energii fotonami, a te są obecnie uznawane za cząstki fundamentalne. Światło widzialne jest przenoszone przez fotony, podobnie jak wszystkie inne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego, takie jak promienie rentgenowskie, mikrofale i fale radiowe. Innymi słowy, światło jest cząstką.
w tym momencie fizycy postanowili zakończyć debatę nad tym, czy światło zachowuje się jak fala czy cząstka., Oba modele były tak przekonujące, że żaden z nich nie mógł zostać odrzucony.
ku dezorientacji wielu niefizyków, naukowcy uznali, że światło zachowuje się zarówno jak fala, jak i cząstka w tym samym czasie. Innymi słowy, światło jest paradoksem.
fizycy nie mają jednak problemu z podzieloną tożsamością światła. Jeśli już, to czyni światło podwójnie użytecznym. Dzisiaj, opierając się na pracy luminarzy-dosłownie „dawców światła” – takich jak Maxwell i Einstein, wyciskamy ze światła jeszcze więcej.,
okazuje się, że równania używane do opisu światła jako fali i światła jako cząstki działają równie dobrze, ale w niektórych okolicznościach jeden jest łatwiejszy w użyciu niż drugi. Fizycy przełączają się więc między nimi, tak jak my używamy metrów do opisania własnej wysokości, ale przechodzimy na kilometry, aby opisać jazdę na rowerze.
splątane cząstki mogą być używane do przekazywania informacji
niektórzy fizycy próbują używać światła do tworzenia zaszyfrowanych kanałów komunikacji: na przykład do przelewów pieniężnych., Dla nich sensowne jest myślenie o świetle jak o cząstkach.
jest to spowodowane innym dziwnym dziwactwem fizyki kwantowej. Dwie podstawowe cząstki, podobnie jak para fotonów, mogą być „splątane”. Oznacza to, że mają wspólne właściwości bez względu na to, jak daleko od siebie są, więc mogą być używane do przekazywania informacji między dwoma punktami na Ziemi.
Inną cechą tego splątania jest to, że stan kwantowy fotonów zmienia się podczas ich odczytu., Oznacza to, że gdyby ktoś próbował podsłuchać kanał zaszyfrowany przy użyciu kwantowych właściwości światła, teoretycznie natychmiast zdradziłby swoją obecność.
inni, jak Goulielmakis, używają światła w elektronice. Dla Nich Znacznie bardziej przydatne jest myślenie o świetle jako serii fal, które można oswoić i kontrolować.
nowoczesne urządzenia zwane „syntezatorami pola świetlnego” mogą łączyć fale świetlne w idealną synchronizację ze sobą. W rezultacie tworzą impulsy świetlne, które są znacznie bardziej intensywne, krótkotrwałe i skierowane niż światło ze zwykłej żarówki.,
dosłownie robili zdjęcia poruszających się fal świetlnych
w ciągu ostatnich 15 lat urządzenia te były używane do oswajania światła w niezwykłym stopniu.
w 2004 roku Goulielmakis i jego współpracownicy zdołali wyprodukować niezwykle krótkie impulsy promieniowania rentgenowskiego. Każdy impuls trwał tylko 250 attosekund lub 250 kwintylionów sekundy.
za pomocą tych maleńkich impulsów jak lampa błyskowa aparatu udało im się uchwycić obrazy pojedynczych fal światła widzialnego, które oscylują raczej wolniej. Dosłownie robili zdjęcia poruszających się fal świetlnych.,
„od czasów Maxwella wiedzieliśmy, że światło jest oscylującym polem elektromagnetycznym, ale nikt nie marzył, że będziemy w stanie uchwycić światło, gdy oscyluje”, mówi Goulielmakis.
zobaczenie tych pojedynczych fal świetlnych jest pierwszym krokiem w kierunku ich kontrolowania i rzeźbienia, mówi, podobnie jak już Rzeźbimy znacznie dłuższe fale elektromagnetyczne, takie jak fale radiowe, które przenoszą sygnały radiowe i telewizyjne.
sto lat temu efekt fotoelektryczny pokazał, że światło widzialne wpływa na elektrony w metalu., Goulielmakis mówi, że powinno być możliwe precyzyjne manipulowanie tymi elektronami, przy użyciu fal światła widzialnego, które zostały ukształtowane w celu interakcji z metalami w starannie określony sposób. „Możemy kontrolować światło, a dzięki niemu możemy kontrolować materię”, mówi.
ludzkie oczy są detektorami fotonów, które wykorzystują światło widzialne do poznawania otaczającego nas świata
, które mogą zrewolucjonizować elektronikę, prowadząc do nowych generacji komputerów optycznych, które są mniejsze i szybsze niż te, które mamy dzisiaj., „Chodzi o ustawianie elektronów w ruchu w pożądany sposób, tworzenie prądów elektrycznych wewnątrz ciał stałych za pomocą światła, zamiast konwencjonalnej elektroniki.”
jest więc jeszcze jeden sposób na opisanie światła: światło jest narzędziem.
to nic nowego. Życie wykorzystuje światło, odkąd pierwsze prymitywne organizmy wyewoluowały wrażliwe na światło tkanki. Ludzkie oczy są detektorami fotonów, które wykorzystują światło widzialne do poznawania otaczającego nas świata.
nowoczesna technologia po prostu posuwa ten pomysł jeszcze dalej., W 2014 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii przyznano badaczom, którzy zbudowali mikroskop świetlny o tak dużej mocy, że uznano go za fizycznie niemożliwy. Okazało się, że przy odrobinie perswazji światło pokaże nam rzeczy, o których myśleliśmy, że nigdy nie zobaczymy.