lumina este ceea ce ne permite să înțelegem lumea în care trăim. Limba noastră reflectă acest lucru: după ce bâjbâim în întuneric, vedem lumina și zorii înțelegători.cu toate acestea, lumina este unul dintre acele lucruri pe care nu tindem să le înțelegem. Dacă ar fi să măriți o rază de lumină, ce ați vedea? Sigur, lumina călătorește incredibil de repede, dar ce face călătoria? Mulți dintre noi s-ar lupta pentru a explica.
nu trebuie să fie așa., Lumina cu siguranță a nedumerit cele mai mari minți timp de secole, dar descoperirile de referință făcute în ultimii 150 de ani au jefuit lumina de misterul său. De fapt, știm, mai mult sau mai puțin, ce este.
nu numai că fizicienii de astăzi înțeleg natura luminii, ei învață să o controleze cu o precizie din ce în ce mai mare – ceea ce înseamnă că lumina ar putea fi pusă în curând să funcționeze în moduri noi surprinzătoare. Aceasta este o parte din motivul pentru care Organizația Națiunilor Unite a desemnat 2015 drept Anul Internațional al luminii.
există tot felul de moduri de a descrie lumina., Dar ar putea ajuta să începem cu asta: lumina este o formă de radiație.
nu A fost până la sfârșitul secolului al xix-lea că oamenii de știință au descoperit identitatea exactă de radiații de lumină
Acest lucru sperăm că o să aibă sens. Știm cu toții că prea multă lumină solară poate declanșa cancer de piele. Știm, de asemenea, că expunerea la radiații poate crește riscul de a dezvolta unele forme de cancer, așa că nu este greu să le punem împreună.dar nu toate formele de radiație sunt aceleași., Abia la sfârșitul secolului al XIX-lea oamenii de știință au descoperit identitatea exactă a radiației luminoase.lucrul ciudat este că această descoperire nu a venit din studiul luminii. În schimb, a apărut din decenii de muncă în natura electricității și a magnetismului.electricitatea și magnetismul par lucruri destul de diferite. Dar oamenii de știință precum Hans Christian Oersted și Michael Faraday au stabilit că sunt profund legați.Oersted a constatat că un curent electric care trece printr-un fir deviază acul unei busole magnetice., Între timp, Faraday a descoperit că mutarea unui magnet lângă un fir poate genera un curent electric în fir.
Maxwell a arătat că, câmpuri electrice și magnetice de călătorie în modul de valuri
Matematicieni de zi stabilite cu privire la utilizarea acestor observații pentru a crea o teorie care descrie acest ciudat fenomen nou, pe care au numit „electromagnetism”. Dar nu a fost până când James Clerk Maxwell sa uitat la problema că a apărut o imagine completă.contribuția lui Maxwell la știință este imensă., Albert Einstein, care a fost inspirat de Maxwell, a spus că a schimbat lumea pentru totdeauna. Printre multe alte lucruri, calculele sale au ajutat la explicarea luminii.Maxwell a arătat că câmpurile electrice și magnetice se deplasează în maniera undelor și că acele unde se mișcă în esență cu viteza luminii. Acest lucru i – a permis lui Maxwell să prezică că lumina însăși a fost purtată de unde electromagnetice-ceea ce înseamnă că lumina este o formă de radiație electromagnetică.,la sfârșitul anilor 1880, la câțiva ani după moartea lui Maxwell, fizicianul German Heinrich Hertz a devenit primul care a demonstrat oficial că conceptul teoretic al lui Maxwell despre unda electromagnetică era corect.
În 1861, el a prezentat prima durabil fotografie color
„sunt convins că, dacă Maxwell și Hertz au trăit într-premiul Nobel epoca, ar fi cu siguranță una comună”, spune Graham Hall de la Universitatea Aberdeen din marea BRITANIE – în cazul în care Maxwell a lucrat la sfârșitul anilor 1850.,Maxwell ocupă un loc în analele științei luminii pentru un alt motiv mai practic. În 1861 a dezvăluit prima fotografie color durabilă, realizată folosind un sistem de filtrare în trei culori care formează și astăzi baza multor forme de fotografie color.totuși, ideea că lumina este o formă de radiație electromagnetică nu poate însemna prea mult. Dar această idee ne ajută să explicăm ceva ce înțelegem cu toții: lumina este un spectru de culori.aceasta este o observație care se întoarce la opera lui Isaac Newton., Vedem acest spectru de culori în toată splendoarea sa ori de câte ori un curcubeu atârnă pe cer – iar aceste culori se referă direct la conceptul lui Maxwell de unde electromagnetice.
Multe animale pot vedea de fapt, ultraviolete, și astfel poate unii oameni
lumina roșie de-a lungul o margine de curcubeu este o radiație electromagnetică cu o lungime de undă de aproximativ 620 și 750 de nanometri; lumina violet de-a lungul marginea opusă este radiația cu lungimea de undă de 380 de 450nm.dar există mult mai multe radiații electromagnetice decât aceste culori vizibile., Lumina cu lungimi de undă puțin mai lungi decât lumina roșie pe care o vedem se numește infraroșu. Lumina cu lungimi de undă puțin mai scurte decât violetul se numește ultraviolet.multe animale pot vedea de fapt ultraviolete, la fel și unii oameni, spune Eleftherios Goulielmakis de la Institutul Max Planck de optică cuantică din Garching, Germania. În unele circumstanțe, chiar și infraroșu este vizibil pentru oameni. Poate că acesta este motivul pentru care nu este neobișnuit să vezi atât ultraviolete, cât și infraroșii descrise ca forme de lumină.,în mod curios, totuși, mergem la lungimi de undă electromagnetice chiar mai lungi sau mai scurte și încetăm să folosim cuvântul „lumină”.dincolo de ultraviolete, lungimile de undă electromagnetice pot fi mai scurte decât 100nm. Acesta este domeniul razelor X și al razelor gamma. Nu veți auzi adesea raze X descrise ca o formă de lumină.
nu Există nici o diferență fizică între undele radio, lumina vizibilă
„Un om de știință nu ar spune ‘eu sunt stralucitoare lumina de raze X pe țintă’. Ei ar spune „folosesc raze X”, spune Goulielmakis.,între timp, merge dincolo de infraroșu și electromagnetice lungime de undă se întinde la 1cm și chiar până la mii de kilometri. Aceste unde electromagnetice sunt date nume familiare, cum ar fi microundele și undele radio. Poate părea ciudat să ne gândim la undele radio folosite în radiodifuziune ca lumină.”nu există nicio diferență fizică reală între undele radio și lumina vizibilă din punct de vedere al fizicii”, spune Goulielmakis. „Le-ați descrie cu exact același tip de ecuații și matematică.”Doar limbajul nostru de zi cu zi le tratează ca fiind diferite.,deci avem o altă definiție a luminii. Este gama foarte îngustă de radiații electromagnetice pe care ochii noștri o pot vedea de fapt. Cu alte cuvinte, lumina este o etichetă subiectivă pe care o folosim doar pentru că simțurile noastre sunt limitate.pentru mai multe dovezi despre cât de subiectiv este conceptul nostru de lumină, gândiți-vă la curcubeu.cei mai mulți oameni învață că spectrul luminii conține șapte culori principale: roșu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo și violet. Ni se oferă chiar mnemonice și cântece la îndemână pentru a le aminti.,uitați-vă la un curcubeu puternic și probabil vă puteți convinge că toate cele șapte culori sunt expuse. Cu toate acestea, Newton însuși s-a străduit să le vadă pe toate.de fapt, cercetătorii suspectează acum că el a împărțit curcubeul doar în șapte culori, deoarece numărul șapte a fost atât de semnificativ în lumea antică: de exemplu, există șapte note la scară muzicală și șapte zile într-o săptămână.lucrarea lui Maxwell asupra electromagnetismului ne-a dus peste toate acestea și a arătat că lumina vizibilă făcea parte dintr-un spectru mai mare de radiații. De asemenea, părea să explice în sfârșit natura luminii.,de secole, oamenii de știință au încercat să identifice forma reală pe care lumina o ia la o scară fundamentală în timp ce călătorește de la o sursă de lumină la ochii noștri.
Newton a dat seama că razele de lumină respectate foarte strict de reguli geometrice
Unii au crezut că lumina a călătorit în formă de valuri sau valuri, fie prin aer sau mai nebulos „eter”. Alții au crezut că acest model de undă este greșit și și-au imaginat lumina ca un flux de particule minuscule.,Newton a preferat această a doua opțiune, în special după o serie de experimente pe care le-a efectuat folosind lumină și oglinzi.și-a dat seama că razele de lumină respectă reguli geometrice foarte stricte. Shine o rază de o oglindă și a sărit în exact același mod o minge ar fi dacă ar fi fost aruncat împotriva oglinzii. Undele nu se mișcă neapărat în astfel de linii drepte previzibile, a motivat el, așa că lumina trebuie să fie purtată de o formă de particule minuscule, fără greutate.problema este că au existat dovezi la fel de convingătoare că lumina este un val.,una dintre cele mai cunoscute demonstrații a venit în 1801. Thomas Young „dublu experiment fantă” este un fel de experiment oricine poate reproduce la domiciliu.luați o foaie de carte groasă și faceți cu atenție două fante verticale subțiri prin ea. Apoi obțineți o sursă de lumină” coerentă”, care produce doar lumină cu o anumită lungime de undă: un laser va face bine. Acum străluciți lumina prin cele două fante pe o altă suprafață.
pe acea a doua suprafață, s-ar putea să vă așteptați să vedeți două linii verticale strălucitoare în care o parte din lumină a trecut prin cele două fante., Dar când Young a efectuat experimentul, a văzut o secvență de linii luminoase și întunecate, mai degrabă ca un cod de bare.când lumina trece prin fante subțiri, se comportă în același mod în care valurile de apă fac atunci când trec printr-o deschidere îngustă: difractează și se răspândesc sub formă de valuri emisferice.în cazul în care” undele de lumină ” din cele două fante se lovesc reciproc în afara fazei, ele se anulează, formând bare întunecate. În cazul în care ondulările se lovesc reciproc în fază, se adaugă împreună la linii verticale luminoase.,experimentul lui Young a fost o dovadă convingătoare a modelului wave, iar lucrarea lui Maxwell a pus ideea pe o bază matematică solidă. Lumina este un val.
dar apoi a venit revoluția cuantică.în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, fizicienii au încercat să înțeleagă cum și de ce unele materiale au absorbit și au emis radiații electromagnetice mai bine decât altele.,
În 1900, Max Planck a rezolvat problema
Care poate suna un pic de nișă, dar lumina electrică, industria a fost în curs de dezvoltare în timp, atât materiale, care ar putea emite lumină fost un lucru mare.până la sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii de știință au descoperit că cantitatea de radiație electromagnetică eliberată de un obiect sa schimbat în funcție de temperatura sa și au măsurat aceste schimbări. Dar nimeni nu știa de ce sa întâmplat.în 1900, Max Planck a rezolvat problema., El a descoperit că calculele ar putea explica aceste schimbări, dar numai dacă ar presupune că radiația electromagnetică a fost ținută în pachete discrete minuscule. Planck a numit aceste” quanta”, pluralul”cuantului”.câțiva ani mai târziu, Einstein a folosit această idee pentru a explica un alt experiment încurcat.fizicienii au descoperit că o bucată de metal devine încărcată pozitiv atunci când este scăldată în lumină vizibilă sau ultravioletă. Ei au numit acest lucru „efectul fotoelectric”.,
Acest lucru nu prea are sens dacă lumina este pur și simplu un val
explicația era că atomii din metal au pierdut încărcat negativ electroni. Aparent, lumina a furnizat suficientă energie metalului pentru a scutura unele dintre ele.
dar detaliul a ceea ce făceau electronii era ciudat. Acestea ar putea fi făcute pentru a transporta mai multă energie pur și simplu prin schimbarea culorii luminii. În special, electronii eliberați dintr-un metal scăldat în lumină violetă au transportat mai multă energie decât electronii eliberați de un metal scăldat în lumină roșie.,acest lucru nu are prea mult sens dacă lumina este pur și simplu o undă.de obicei, schimbați cantitatea de energie dintr – o undă făcând – o mai înaltă-gândiți-vă la puterea distructivă a unui tsunami înalt-mai degrabă decât făcând valul în sine mai lung sau mai scurt.prin extensie, cel mai bun mod de a crește energia pe care lumina o transferă electronilor ar trebui să fie făcând undele luminoase mai înalte: adică făcând lumina mai strălucitoare., Schimbarea lungimii de undă, și, prin urmare, culoarea, nu ar trebui să facă la fel de mult de o diferență.Einstein și-a dat seama că efectul fotoelectric era mai ușor de înțeles gândindu-se la lumină în termenii cuantei lui Planck.el a sugerat că lumina este transportată în pachete cuantice minuscule. Fiecare cuantic împachetează un pumn de energie discret care se referă la lungimea de undă: cu cât lungimea de undă este mai scurtă, cu atât este mai densă pumnul de energie. Acest lucru ar explica de ce pachetele de lumină violetă, cu o lungime de undă relativ scurtă, au transportat mai multă energie decât pachetele de lumină roșie, cu una relativ mai lungă.,
de asemenea, a explicat de ce pur și simplu creșterea luminozității luminii a făcut mai puțin un impact.
o sursă de lumină mai strălucitoare oferă mai multe pachete de lumină metalului, dar nu schimbă cantitatea de energie pe care o conține fiecare pachet de lumină. Grosolan vorbind, un singur pachet de lumină violet ar putea transfera mai multă energie la un singur electron decât orice număr de pachete de lumină roșie.,
oamenii De stiinta au decis că lumina s-a comportat ca si unda si particula in acelasi timp
Einstein a numit aceste pachete de energie fotoni, iar acestea sunt acum recunoscute ca o particulă fundamentală. Lumina vizibilă este purtată de fotoni, la fel și celelalte tipuri de radiații electromagnetice, cum ar fi razele X, microundele și undele radio. Cu alte cuvinte, lumina este o particulă.în acest moment, fizicienii au decis să pună capăt dezbaterii dacă lumina s-a comportat ca o undă sau o particulă., Ambele modele au fost atât de convingătoare încât nici una nu a putut fi respinsă.spre confuzia multor non-fizicieni, oamenii de știință au decis că lumina s-a comportat atât ca o undă, cât și ca o particulă în același timp. Cu alte cuvinte, lumina este un paradox.
fizicienii, totuși, nu au nicio problemă cu identitatea divizată a luminii. Dacă ceva, face lumina de două ori util. Astăzi, bazându – ne pe munca corpurilor de iluminat-literalmente „dăruitori de lumină” – precum Maxwell și Einstein, stoarcem și mai mult din lumină.,se pare că ecuațiile folosite pentru a descrie lumina ca undă și lumina ca particulă funcționează la fel de bine, dar în anumite circumstanțe una este mai ușor de utilizat decât cealaltă. Așa că fizicienii comută între ei, la fel cum folosim metri pentru a descrie propria noastră înălțime, dar comută la kilometri pentru a descrie o plimbare cu bicicleta.
Încurcate particule poate fi folosit pentru a comunica informații
Unii fizicieni sunt încercarea de a folosi lumina pentru a crea canale criptate de comunicare: pentru transferuri de bani, de exemplu., Pentru ei, este logic să ne gândim la lumină ca particule.acest lucru se datorează unei alte ciudățenii ciudate a fizicii cuantice. Două particule fundamentale, ca o pereche de fotoni, pot fi „încurcate”. Aceasta înseamnă că împărtășesc proprietăți indiferent cât de departe sunt unul de celălalt, astfel încât acestea pot fi folosite pentru a comunica informații între două puncte de pe Pământ.o altă caracteristică a acestei încurcături este că starea cuantică a fotonilor se schimbă atunci când sunt citite., Asta înseamnă că dacă cineva ar încerca să tragă cu urechea pe un canal criptat folosind proprietățile cuantice ale luminii, ar trăda, teoretic, imediat prezența lor.alții, cum ar fi Goulielmakis, folosesc lumina în electronică. Pentru ei este mult mai util să ne gândim la lumină ca la o serie de valuri care pot fi îmblânzite și controlate.dispozitivele moderne numite „sintetizatoare de câmp luminos” pot Corrala undele de lumină într-o sincronizare perfectă între ele. Ca rezultat, ele creează impulsuri de lumină care sunt mult mai intense, de scurtă durată și direcționate decât lumina de la un bec obișnuit.,
Au luat fotografii de undele de lumină se deplasează
în ultimii 15 ani, aceste dispozitive au fost folosite pentru a îmblânzi lumină într-un grad extraordinar.
În 2004 Goulielmakis și colegii săi au reușit să producă incredibil de scurte pulsuri de raze X. Fiecare puls a durat doar 250 attoseconds, sau 250 quintillionths de o secundă.folosind aceste impulsuri minuscule precum un bliț al camerei, au reușit să capteze imagini ale undelor individuale de lumină vizibilă, care oscilează destul de lent. Au făcut literalmente fotografii cu undele luminoase în mișcare.,
„știm încă de la Maxwell că lumina este un câmp electromagnetic oscilant, dar nimeni nu a visat că vom putea capta lumina pe măsură ce oscilează”, spune Goulielmakis.
a vedea acele unde individuale de lumină este un prim pas spre controlul și sculptarea lor, spune el, la fel cum deja sculptăm unde electromagnetice mult mai lungi, precum undele radio care poartă semnale radio și de televiziune.cu un secol în urmă, efectul fotoelectric a arătat că lumina vizibilă afectează electronii dintr-un metal., Goulielmakis spune că ar trebui să fie posibilă manipularea precisă a acelor electroni, folosind unde de lumină vizibile care au fost modelate pentru a interacționa cu metalele într-un mod atent definit. „Putem controla lumina și prin ea putem controla Materia”, spune el.
ochii Omului sunt foton detectoare care folosesc lumina vizibila pentru a învăța despre lumea din jurul nostru
Care ar putea revoluționa electronice, care să conducă la noile generații de calculatoare optice, care sunt mai mici și mai rapide decât cele pe care le avem astăzi., „Este vorba despre punerea electronilor în mișcare în modurile pe care le dorim, crearea de curenți electrici în interiorul solidelor folosind lumina, în loc de electronice convenționale.deci, există încă un mod în care lumina poate fi descrisă: lumina este un instrument.
asta nu este nimic nou. Viața a folosit lumina încă de când primele organisme primitive au dezvoltat țesuturi sensibile la lumină. Ochii umani sunt detectori de fotoni care folosesc lumina vizibilă pentru a afla despre lumea din jurul nostru.
Tehnologia modernă duce pur și simplu această idee și mai departe., În 2014, Premiul Nobel pentru Chimie a fost acordat cercetătorilor care au construit un microscop de lumină atât de puternic, încât sa crezut că este imposibil din punct de vedere fizic. S-a dovedit că, cu un pic de convingere, lumina ne-ar arăta lucruri pe care credeam că nu le vom vedea niciodată.