ljus är det som gör det möjligt för oss att förstå den värld vi lever i. Vårt språk återspeglar detta: efter att ha famlat i mörkret ser vi ljuset och förståelsen gryr.
men ljus är en av de saker som vi inte tenderar att förstå. Om du zoomade in på en stråle av ljus, Vad skulle du se? Visst, ljuset färdas otroligt snabbt, men vad är det som gör resan? Många av oss skulle kämpa för att förklara.
det behöver inte vara så., Ljus har verkligen förbryllat de största sinnena i århundraden, men landmärke upptäckter som gjorts under de senaste 150 åren har rånat ljus av dess mysterium. Vi vet faktiskt, mer eller mindre, vad det är.
dagens fysiker förstår inte bara ljusets natur, de lär sig att kontrollera det med allt större precision – vilket innebär att ljus snart kan sättas till arbete på överraskande nya sätt. Det är en del av anledningen till att FN utsåg 2015 till det internationella året för ljus.
det finns alla möjliga sätt att beskriva ljus., Men det kan hjälpa till att börja med detta: ljus är en form av strålning.
det var inte förrän i slutet av artonhundratalet som forskarna upptäckte den exakta identiteten av ljusstrålning
detta är förhoppningsvis vettigt. Vi vet alla att för mycket solljus kan utlösa hudcancer. Vi vet också att strålningsexponering kan öka risken för att utveckla vissa former av cancer, så det är inte svårt att sätta ihop de två.
men inte alla former av strålning är desamma., Det var inte förrän i slutet av artonhundratalet som forskare upptäckte den exakta identiteten av ljusstrålning.
det märkliga är att denna upptäckt inte kom från studiet av ljus. I stället framkom det från årtionden av arbete i naturen av el och magnetism.
el och magnetism verkar som helt olika saker. Men forskare som Hans Christian Oersted och Michael Faraday konstaterade att de är djupt sammanflätade.
Oersted fann att en elektrisk ström som passerar genom en tråd avleder nålen på en magnetisk kompass., Under tiden upptäckte Faraday att flytta en magnet nära en tråd kan generera en elektrisk ström i tråden.
Maxwell visade att elektriska och magnetiska fält färdas på samma sätt som vågor
Dagens matematiker satt om att använda dessa observationer för att skapa en teori som beskriver detta märkliga nya fenomen, som de kallade ”elektromagnetism”. Men det var inte förrän James Clerk Maxwell tittade på problemet att en komplett bild uppstod.
Maxwells bidrag till vetenskapen är enormt., Albert Einstein, som inspirerades av Maxwell, sa att han förändrade världen för alltid. Bland annat bidrog hans beräkningar till att förklara vad ljuset är.
Maxwell visade att elektriska och magnetiska fält färdas på samma sätt som vågor, och att dessa vågor rör sig väsentligen vid ljusets hastighet. Detta gjorde det möjligt för Maxwell att förutsäga att själva ljuset bars av elektromagnetiska vågor – vilket innebär att ljus är en form av elektromagnetisk strålning.,
i slutet av 1880-talet, några år efter Maxwells död, blev tysk fysiker Heinrich Hertz den första som formellt demonstrerade att Maxwells teoretiska koncept för den elektromagnetiska vågen var korrekt.
1861 presenterade han det första hållbara färgfotot
”Jag är övertygad om att om Maxwell och Hertz hade levt i Nobelprisåldern skulle de säkert ha delat en”, säger Graham Hall från University Of Aberdeen i Storbritannien – där Maxwell arbetade i slutet av 1850-talet.,
Maxwell har en plats i annals of light science för en annan, mer praktisk anledning. År 1861 presenterade han det första hållbara färgfotografiet, producerat med hjälp av ett trefärgsfiltersystem som fortfarande ligger till grund för många former av färgfotografering idag.
tanken att ljus är en form av elektromagnetisk strålning kanske inte betyder för mycket. Men denna idé hjälper till att förklara något som vi alla förstår: ljus är ett spektrum av färger.
detta är en observation som går tillbaka till Isaac Newtons arbete., Vi ser detta färgspektrum i all sin härlighet när en regnbåge hänger i himlen-och dessa färger relaterar direkt till Maxwells koncept av elektromagnetiska vågor.
många djur kan faktiskt se ultraviolett, och så kan vissa människor
det röda ljuset längs ena kanten av regnbågen är elektromagnetisk strålning med en våglängd på ca 620 till 750 nanometer; det violetta ljuset längs motsatt kant är strålning med en våglängd på 380 till 450nm.
men det finns mycket mer elektromagnetisk strålning än dessa synliga färger., Ljus med våglängder något längre än det röda ljuset vi ser kallas infrarött. Ljus med våglängder något kortare än violett kallas ultraviolett.
många djur kan faktiskt se ultraviolett, och det kan också vissa människor, säger Eleftherios Goulielmakis från Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, Tyskland. Under vissa omständigheter är även infraröd synlig för människor. Kanske är det därför det inte är ovanligt att se både ultraviolett och infrarött beskrivet som former av ljus.,
nyfiken, men gå till ännu längre – eller kortare – elektromagnetiska våglängder och vi slutar använda ordet ”ljus”.
bortom ultraviolett kan elektromagnetiska våglängder gå kortare än 100nm. Detta är sfären av röntgenstrålar och gammastrålar. Du hör inte ofta röntgenstrålar som beskrivs som en form av ljus.
det finns ingen verklig fysisk skillnad mellan radiovågor och synligt ljus
”en forskare skulle inte säga ” Jag lyser Röntgenljus på målet”. De skulle säga ”Jag använder röntgenstrålar”, säger Goulielmakis.,
under tiden sträcker sig bortom infraröd och elektromagnetisk våglängd till 1cm och till och med upp till tusentals kilometer. Dessa elektromagnetiska vågor ges välkända namn som mikrovågor och radiovågor. Det kan tyckas konstigt att tänka på radiovågorna som används vid sändning som ljus.
”det finns ingen verklig fysisk skillnad mellan radiovågor och synligt ljus ur fysikens synvinkel”, säger Goulielmakis. ”Du skulle beskriva dem med exakt samma typ av ekvationer och matematik.”Det är bara vårt vardagliga språk som behandlar dem som olika.,
Så vi har en annan definition av ljus. Det är det mycket smala spektrumet av elektromagnetisk strålning som våra ögon faktiskt kan se. Med andra ord är ljus en subjektiv etikett som vi bara använder eftersom våra sinnen är begränsade.
För mer bevis på hur subjektivt vårt koncept av ljus är, tänk tillbaka till regnbågen.
de flesta människor lär sig att ljusspektrumet innehåller sju huvudfärger: röd, orange, gul, grön, blå, indigo och violett. Vi får även praktiska mnemonics och låtar att komma ihåg dem.,
titta på en stark regnbåge och du kan förmodligen övertyga dig själv om att alla sju färger är på show. Men Newton själv kämpade för att se dem alla.
faktum är att forskare nu misstänker att han bara delade regnbågen i sju färger eftersom nummer sju var så betydande i den antika världen: till exempel finns det sju anteckningar i en musikalisk skala och sju dagar i veckan.
Maxwells arbete med elektromagnetism tog oss förbi allt detta och visade att synligt ljus var en del av ett större spektrum av strålning. Det verkade också slutligen förklara ljusets natur.,
i århundraden hade forskare försökt att fästa ner den faktiska formen som ljuset tar i en grundläggande skala när det reser från en ljuskälla till våra ögon.
Newton insåg att ljusstrålarna lydde mycket strikta geometriska regler
vissa trodde att ljuset färdades i form av vågor eller krusningar, antingen genom luft eller en mer nebulös ”eter”. Andra trodde att denna vågmodell var fel och föreställde sig ljus som en ström av små partiklar.,
Newton föredrog detta andra alternativ, särskilt efter en serie experiment han utförde med ljus och speglar.
han insåg att ljusstrålar lydde mycket strikta geometriska regler. Skina en stråle mot en spegel och det studsade på exakt samma sätt som en boll skulle om den kastades mot spegeln. Vågor rör sig inte nödvändigtvis i sådana förutsägbara raka linjer, han motiverade, så ljuset måste bäras av någon form av små, viktlösa partiklar.
problemet är att det fanns lika övertygande bevis för att ljuset är en våg.,
en av de mest kända demonstrationerna av detta kom 1801. Thomas Youngs ”double slit experiment” är det slags experiment som alla kan replikera hemma.
ta ett ark med tjockt kort och försiktigt göra två tunna vertikala slitsar genom den. Få sedan en” sammanhängande ” ljuskälla, som bara ger ljus av en viss våglängd: en laser kommer att göra snyggt. Skina nu ljuset genom de två slitsarna på en annan yta.
på den andra ytan kan du förvänta dig att se två ljusa vertikala linjer där en del av ljuset har passerat genom de två slitsarna., Men när Young utförde experimentet såg han en sekvens av ljusa och mörka linjer som en streckkod.
När ljuset passerar genom de tunna slitsarna uppträder det på samma sätt som vattenvågor gör när de passerar genom en smal öppning: de skiljer sig och sprids ut i form av hemisfäriska krusningar.
där” ljus krusningar ” från de två slitsarna slog varandra ur fas de avbryter ut och bildar mörka barer. Där krusningarna träffar varandra i fas, lägger de ihop för att göra ljusa vertikala linjer.,
Youngs experiment var övertygande bevis på vågmodellen, och Maxwells arbete satte tanken på en solid matematisk grund. Ljus är en våg.
men sedan kom kvantrevolutionen.
under andra hälften av artonhundratalet försökte fysiker förstå hur och varför vissa material absorberade och emitterade elektromagnetisk strålning bättre än andra.,
år 1900 löste Max Planck problemet
det kan låta lite nisch, men den elektriska ljusindustrin uppstod då, så material som kunde avge ljus var en stor sak.
i slutet av artonhundratalet hade forskare upptäckt att mängden elektromagnetisk strålning som frigörs av ett objekt förändrats beroende på dess temperatur, och de hade mätt dessa förändringar. Men ingen visste varför det hände.
år 1900 löste Max Planck problemet., Han upptäckte att beräkningarna kunde förklara dessa förändringar, men bara om han antog att den elektromagnetiska strålningen hölls i små diskreta paket. Planck kallade dessa ”quanta”, plural av”quantum”.
några år senare använde Einstein denna idé för att förklara ett annat förbryllande experiment.
fysiker hade upptäckt att en bit metall blir positivt laddad när den badas i synligt eller ultraviolett ljus. De kallade detta den ”fotoelektriska effekten”.,
det här är inte meningsfullt om ljuset bara är en våg
förklaringen var att atomer i metallen förlorade negativt laddade elektroner. Tydligen levererade ljuset tillräckligt med energi till metallen för att skaka några av dem lös.
men detaljerna i vad elektronerna gjorde var udda. De kan göras för att bära mer energi helt enkelt genom att ändra ljusets färg. I synnerhet de elektroner som frigörs från en metall badade i violett ljus bar mer energi än elektroner som frigörs av en metall badade i rött ljus.,
det här är inte mycket meningsfullt om ljuset bara är en våg.
du ändrar vanligtvis mängden energi i en våg genom att göra den högre – tänk på den destruktiva kraften hos en lång tsunami – snarare än genom att göra vågen själv längre eller kortare.
varje quantum packar en diskret energistans
i förlängningen är det bästa sättet att öka den energi som ljusöverföringar till elektronerna bör vara genom att göra ljusvågorna högre: det vill säga att göra ljuset ljusare., Ändra våglängden, och därmed färgen, bör inte göra lika stor skillnad.
Einstein insåg att den fotoelektriska effekten var lättare att förstå genom att tänka på ljus när det gäller Plancks quanta.
han föreslog att ljus bärs i små kvantpaket. Varje quantum packar en diskret energistans som relaterar till våglängden: ju kortare våglängden är, desto tätare är energislaget. Detta skulle förklara varför Violetta ljuspaket, med en relativt kort våglängd, Bar mer energi än röda ljuspaket, med en relativt längre.,
det förklarade också varför helt enkelt öka ljusstyrkan på ljuset gjorde mindre av en inverkan.
en ljusare ljuskälla levererar fler ljuspaket till metallen, men det ändrar inte mängden energi varje ljuspaket innehåller. Grovt sett kan ett enda violett ljuspaket överföra mer energi till en enda elektron än något antal röda ljuspaket.,
forskarna bestämde att ljus betedde sig som både en våg och en partikel samtidigt
Einstein kallade dessa energipaket fotoner, och dessa erkänns nu som en grundläggande partikel. Synligt ljus bärs av fotoner, och så är alla andra typer av elektromagnetisk strålning som röntgenstrålar, mikrovågor och radiovågor. Med andra ord är ljus en partikel.
vid denna tidpunkt beslutade fysiker att avsluta debatten om huruvida ljus betedde sig som en våg eller en partikel., Båda modellerna var så övertygande att varken kunde avvisas.
till förvirringen hos många icke-fysiker bestämde forskarna att ljuset betedde sig som både en våg och en partikel samtidigt. Med andra ord är ljus en paradox.
fysiker har dock inga problem med ljusets delade identitet. Om något gör det lätt dubbelt användbart. Idag bygger vi på armaturens arbete-bokstavligen ”ljusgivare” – som Maxwell och Einstein, vi klämmer ännu mer ut ur ljuset.,
det visar sig att ekvationerna som används för att beskriva ljus-som-A-våg och ljus-som-A-partikel fungerar lika bra, men i vissa fall är det lättare att använda än det andra. Så fysiker växla mellan dem, precis som vi använder meter för att beskriva vår egen höjd men växla till kilometer för att beskriva en cykeltur.
intrasslade partiklar kan användas för att kommunicera information
vissa fysiker försöker använda ljus för att skapa krypterade kommunikationskanaler: för penningöverföringar, till exempel., För dem är det vettigt att tänka på ljus som partiklar.
detta är på grund av en annan konstig quantumfysik. Två grundläggande partiklar, som ett par fotoner, kan”intrasslas”. Detta innebär att de delar egenskaper oavsett hur långt ifrån varandra de är från varandra, så att de kan användas för att kommunicera information mellan två punkter på jorden.
en annan funktion i denna sammanflätning är att fotonernas kvanttillstånd ändras när de läses., Det betyder att om någon försökte tjuvlyssna på en kanal krypterad med hjälp av ljusets kvantegenskaper, skulle de i teorin omedelbart förråda sin närvaro.
andra, som Goulielmakis, använder ljus i elektronik. För dem är det mycket mer användbart att tänka på ljus som en serie vågor som kan tämjas och kontrolleras.
moderna enheter som kallas ”light field synthesisers” kan corral ljusvågor till perfekt synkronisering med varandra. Som ett resultat skapar de ljuspulser som är mycket mer intensiva, kortlivade och riktade än ljuset från en vanlig glödlampa.,
de tog bokstavligen bilder av ljusvågor som rörde sig
under de senaste 15 åren har dessa enheter använts för att tämja ljuset till en extraordinär grad.
2004 lyckades Goulielmakis och hans kollegor producera otroligt korta pulser av röntgenstrålning. Varje puls varade bara 250 attosekunder, eller 250 quintillionths av en sekund.
med hjälp av dessa små pulser som en kamerablixt lyckades de fånga bilder av enskilda vågor av synligt ljus, vilket oscillerar ganska långsammare. De tog bokstavligen bilder av ljusvågor som rörde sig.,
”Vi har känt sedan Maxwell att ljus är ett oscillerande elektromagnetiskt fält, men ingen drömde att vi skulle kunna fånga ljuset när det svänger”, säger Goulielmakis.
att se dessa enskilda ljusvågor är ett första steg mot att kontrollera och skulptera dem, säger han, mycket som vi redan skulpterar mycket längre elektromagnetiska vågor, som radiovågorna som bär radio-och TV-signaler.
för ett sekel sedan visade den fotoelektriska effekten att synligt ljus påverkar elektronerna i en metall., Goulielmakis säger att det bör vara möjligt att exakt manipulera dessa elektroner, med hjälp av synliga ljusvågor som har formats för att interagera med metallerna på ett noggrant definierat sätt. ”Vi kan styra ljuset, och genom det kan vi kontrollera Materia”, säger han.
mänskliga ögon är fotondetektorer som använder synligt ljus för att lära sig om världen runt oss
det kan revolutionera elektronik, vilket leder till nya generationer av optiska datorer som är mindre och snabbare än de vi har idag., ”Det handlar om att sätta elektroner i rörelse på sätt vi vill, skapa elektriska strömmar inuti fasta ämnen med hjälp av ljus, istället för konventionell Elektronik.”
så det finns ytterligare ett sätt ljus kan beskrivas: ljus är ett verktyg.
det är inget nytt. Livet har utnyttjat ljus ända sedan de första primitiva organismerna utvecklade ljuskänsliga vävnader. Mänskliga ögon är fotondetektorer som använder synligt ljus för att lära sig om världen runt oss.
Modern teknik tar helt enkelt denna idé ännu längre., År 2014 tilldelades Nobelpriset i kemi till forskare som byggde ett ljusmikroskop så kraftfullt att det ansågs vara fysiskt omöjligt. Det visade sig att ljuset med lite övertalning skulle visa oss saker vi trodde att vi aldrig skulle se.