Той е около нас и ни позволява да видим света. Но попитайте никого от нас и повечето няма да могат да обяснят каква всъщност е тази светлина. Светлината ни помага да разберем света, в който живеем. Нашият език отразява това: в тъмнината, която се движим чрез докосване, започваме да виждаме светлината заедно с настъпването на зората. И все пак далеч не сме напълно разбиращи светлината. Ако приближите лъч светлина, какво ще има в него? Да, светлината се движи невероятно бързо, но не може ли да се използва за пътуване? И така нататък.
Разбира се, това не трябва да е така. Светлината озадачаваше най-добрите умове от векове, но забележителните открития през последните 150 години постепенно повдигнаха завесата на мистерията над тази мистерия. Сега горе-долу разбираме какво е това.
Физиците от нашето време не само разбират природата на светлината, но и се опитват да я контролират с безпрецедентна точност - което означава, че светлината много скоро може да бъде накарана да работи по най-удивителния начин. По тази причина ООН обяви 2015 г. за Международна година на светлината.
Светлината може да бъде описана по всякакви начини. Но си струва да започнем с това: светлината е форма на излъчване (радиация). И това сравнение има смисъл. Знаем, че излишната слънчева светлина може да причини рак на кожата. Също така знаем, че излагането на радиация може да ви изложи на риск от някои форми на рак; лесно е да се направят паралели.
Но не всички форми на радиация са еднакви. В края на 19 век учените успяват да определят точната същност на светлинното лъчение. И най-странното е, че това откритие не идва от изследването на светлината, а произтича от десетилетия на работа върху природата на електричеството и магнетизма.
Електричеството и магнетизмът изглежда са съвсем различни неща. Но учени като Ханс Кристиан Ерстед и Майкъл Фарадей са открили, че те са дълбоко преплетени. Ерстед откри, че електрически ток, преминаващ през жица, отклонява иглата на магнитен компас. Междувременно Фарадей откри, че преместването на магнит близо до проводник може да генерира електрически ток в проводника.
Математиците от онзи ден използваха тези наблюдения, за да създадат теория, описваща това странно ново явление, което те нарекоха „електромагнетизъм“. Но само Джеймс Клерк Максуел успя да опише пълната картина.
Приносът на Максуел към науката трудно може да бъде надценен. Алберт Айнщайн, вдъхновен от Максуел, каза, че е променил света завинаги. Освен всичко друго, неговите изчисления ни помогнаха да разберем какво е светлина.
Промоционално видео:
Максуел показа, че електрическите и магнитните полета се движат във вълни и тези вълни се движат със скоростта на светлината. Това позволи на Максуел да предскаже, че самата светлина се носи от електромагнитни вълни - което означава, че светлината е форма на електромагнитно излъчване.
В края на 80-те години, няколко години след смъртта на Максуел, немският физик Хайнрих Херц е първият, който официално демонстрира, че теоретичната концепция на Максуел за електромагнитната вълна е вярна.
„Сигурен съм, че ако Максуел и Херц са живели в ерата на Нобеловата награда, те непременно ще получат такава“, казва Греъм Хол от университета в Абърдийн във Великобритания - където Максуел е работил в края на 50-те години.
Максуел се нарежда в аналите на науката за светлината по друга, по-практична причина. През 1861 г. той разкрива първата стабилна цветна фотография с помощта на трицветната филтърна система, която поставя основите на много форми на цветна фотография днес.
Самата фраза, че светлината е форма на електромагнитно излъчване, не казва много. Но помага да се опише това, което всички разбираме: светлината е спектър от цветове. Това наблюдение се връща към работата на Исак Нютон. Виждаме цветовия спектър в цялата му слава, когато дъгата се издига в небето - и тези цветове са пряко свързани с концепцията на Максуел за електромагнитните вълни.
Червената светлина в единия край на дъгата е електромагнитно излъчване с дължина на вълната от 620 до 750 нанометра; виолетовият цвят в другия край е излъчване с дължина на вълната от 380 до 450 nm. Но в електромагнитното излъчване има нещо повече от видимите цветове. Светлината с дължина на вълната по-дълга от червената е това, което наричаме инфрачервена. Светлината с дължина на вълната по-къса от виолетовата се нарича ултравиолетова. Много животни могат да виждат в ултравиолетова светлина, а някои хора също виждат, казва Елефтериос Гулилмакис от Института за квантова оптика Макс Планк в Гархинг, Германия. В някои случаи хората дори виждат инфрачервена светлина. Може би затова не сме изненадани, че наричаме ултравиолетови и инфрачервени форми на светлината.
Любопитното е обаче, че ако дължините на вълните станат още по-къси или по-дълги, спираме да ги наричаме „светлина“. Извън ултравиолетовите електромагнитни вълни могат да бъдат по-къси от 100 nm. Това е царството на рентгеновите и гама лъчите. Чували ли сте някога рентгеновите лъчи да се наричат форма на светлината?
„Един учен няма да каже„ светя през обект с рентгенова светлина “. Той ще каже „Използвам рентгенови лъчи“, казва Гулилмакис.
Междувременно отвъд инфрачервените и електромагнитните дължини на вълните вълните се простират до 1 см и дори до хиляди километри. Такива електромагнитни вълни се наричат микровълни или радиовълни. За някои може да изглежда странно да възприемат радиовълните като светлина.
„Няма много физическа разлика между радиовълните и видимата светлина от гледна точка на физиката“, казва Гулилмакис. „Ще ги опишете със същите уравнения и математика.“Разграничава ги само нашето ежедневно възприятие.
По този начин получаваме различна дефиниция на светлината. Това е много тесен обхват на електромагнитното излъчване, което очите ни могат да видят. С други думи, светлината е субективен етикет, който използваме само поради ограниченията на сетивата си.
Ако искате по-подробни доказателства за това колко субективно е нашето възприятие за цвят, помислете за дъгата. Повечето хора знаят, че спектърът на светлината съдържа седем основни цвята: червен, оранжев, жълт, зелен, циан, син и виолетов. Имаме дори удобни пословици и поговорки за ловци, които искат да знаят къде е фазанът. Погледнете хубава дъга и се опитайте да видите всичките седем. Дори Нютон не успя. Учените подозират, че ученият е разделил дъгата на седем цвята, тъй като числото "седем" е било много важно за древния свят: седем ноти, седем дни от седмицата и т.н.
Работата на Максуел по електромагнетизма ни отведе една крачка напред и показа, че видимата светлина е част от широк спектър на лъчение. Истинската природа на светлината също стана ясна. В продължение на векове учените се опитват да разберат каква форма всъщност приема светлината в основен мащаб, докато преминава от източника на светлина към нашите очи.
Някои вярвали, че светлината се движи под формата на вълни или вълни, по въздуха или мистериозния „етер“. Други смятат, че този вълнов модел е с недостатъци и смятат, че светлината е поток от малки частици. Нютон се навежда към второто мнение, особено след поредица от експерименти, които провежда със светлина и огледала.
Той разбра, че лъчите на светлината се подчиняват на строги геометрични правила. Светлинен лъч, отразен в огледалото, се държи като топка, хвърлена директно в огледалото. Нютон не е задължително вълните да следват тези предсказуеми прави линии, така че светлината трябва да се носи от някаква форма на малки, безмасови частици.
Проблемът е, че имаше също толкова убедителни доказателства, че светлината е вълна. Една от най-ясните демонстрации на това беше през 1801г. Експериментът с двойни процепи на Thomas Young по принцип може да се направи самостоятелно у дома.
Вземете лист дебел картон и внимателно изрежете две тънки вертикални разрези в него. След това вземете "кохерентен" източник на светлина, който ще излъчва светлина само с определена дължина на вълната: лазерът ще се справи добре. След това насочете светлината към два процепа, така че като преминава, да пада върху другата повърхност.
Бихте очаквали да видите две ярки вертикални линии на втората повърхност, където светлината е преминала през процепите. Но когато Юнг направи експеримента, той видя последователност от светли и тъмни линии като баркод.
Когато светлината преминава през тънки процепи, тя се държи като водни вълни, които преминават през тесен отвор: те се разпръскват и разпространяват под формата на полусферични вълнички.
Когато тази светлина премине през два процепа, всяка вълна намалява другата, образувайки тъмни петна. Когато вълните се сближават, тя се допълва, за да образува ярки вертикални линии. Експериментът на Йънг буквално потвърди вълновия модел, така че Максуел приведе идеята в солидна математическа форма. Светлината е вълна.
Но тогава имаше квантова революция
През втората половина на XIX век физиците се опитват да разберат как и защо някои материали поглъщат и излъчват електромагнитно излъчване по-добре от други. Струва си да се отбележи, че електрическата лека промишленост се развиваше тогава, така че материалите, които могат да излъчват светлина, бяха сериозно нещо.
Към края на деветнадесети век учените откриват, че количеството електромагнитно излъчване, излъчвано от обект, се променя в зависимост от неговата температура и те измерват тези промени. Но никой не знаеше защо се случва това. През 1900 г. Макс Планк решава този проблем. Той откри, че изчисленията могат да обяснят тези промени, но само ако приемем, че електромагнитното излъчване се предава на малки дискретни части. Планк ги нарича „кванти“, множествено число на латинското „квант“. Няколко години по-късно Айнщайн взе идеите си за основа и обясни друг изненадващ експеримент.
Физиците са открили, че парче метал се зарежда положително при облъчване с видима или ултравиолетова светлина. Този ефект е наречен фотоволтаичен.
Атомите в метала загубиха отрицателно заредени електрони. Очевидно светлината доставя достатъчно енергия на метала, за да освободи част от електроните. Но защо електроните направиха това, не беше ясно. Те биха могли да носят повече енергия, просто като променят цвета на светлината. По-специално, електроните, освободени от метал, облъчен с виолетова светлина, носят повече енергия от електроните, освободени от метал, облъчен с червена светлина.
Ако светлината беше само вълна, би било нелепо
Обикновено променяте количеството енергия във вълната, правейки го по-високо - представете си високо цунами с разрушителна сила - и не по-дълго или по-кратко. По-широко казано, най-добрият начин за увеличаване на енергията, която светлината прехвърля към електрони, е да се направи светлинната вълна по-висока: тоест, да се направи светлината по-ярка. Промяната на дължината на вълната, а оттам и на светлината, не би трябвало да има голяма разлика.
Айнщайн осъзна, че фотоелектричният ефект е по-лесен за разбиране, ако представяте светлината в терминологията на квантите на Планк.
Той предположи, че светлината се носи от малки квантови парчета. Всеки квант носи част от дискретна енергия, свързана с дължината на вълната: колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-плътна е енергията. Това може да обясни защо относително късите части на виолетовата светлина носят повече енергия от сравнително дългите части на червената светлина.
Това също би обяснило защо простото увеличаване на яркостта на светлината всъщност не влияе на резултата.
По-ярка светлина доставя повече части от светлината към метала, но това не променя количеството енергия, носено от всяка порция. Грубо казано, една порция виолетова светлина може да предаде повече енергия на един електрон, отколкото много порции червена светлина.
Айнщайн нарича тези части от енергийни фотони и сега са признати за основни частици. Видимата светлина се пренася от фотони, а също и други форми на електромагнитно излъчване като рентгенови лъчи, микровълнови и радиовълни. С други думи, светлината е частица.
С това физиците решиха да приключат дебата за това от какво е направена светлината. И двата модела бяха толкова убедителни, че нямаше смисъл да се отказваме от един. За изненада на много нефизици учените решиха, че светлината се държи като частица и вълна едновременно. С други думи, светлината е парадокс.
В същото време физиците не са имали проблеми с разделената личност на светлината. Това до известна степен направи светлината двойно полезна. Днес, разчитайки на работата на светилата в буквалния смисъл на думата - Максуел и Айнщайн - изстискваме всичко от светлината.
Оказва се, че уравненията, използвани за описване на светлинни вълни и светлинни частици, работят еднакво добре, но в някои случаи едното е по-лесно за използване от другото. Следователно физиците превключват между тях, подобно на това, че използваме метри, за да опишем собствената си височина, и стигаме до километри, описвайки каране на колело.
Някои физици се опитват да използват светлина, за да създадат криптирани комуникационни канали, например за парични преводи. За тях има смисъл да мислят за светлината като за частици. Това се дължи на странната природа на квантовата физика. Две основни частици, като двойка фотони, могат да бъдат „заплетени“. Това означава, че те ще имат общи свойства, независимо колко отдалечени са един от друг, така че могат да се използват за пренос на информация между две точки на Земята.
Друга характеристика на това заплитане е, че квантовото състояние на фотоните се променя при тяхното четене. Това означава, че ако някой се опита да подслушва криптиран канал, на теория той веднага ще предаде присъствието си.
Други, като Гулилмакис, използват светлина в електрониката. Те намират за по-полезно да представят светлината като поредица от вълни, които могат да бъдат укротени и контролирани. Съвременните устройства, наречени синтезатори на светлинно поле, могат да обединят светлинните вълни в перфектен синхрон помежду си. В резултат на това те създават светлинни импулси, които са по-интензивни, краткотрайни и по-насочени от светлината от конвенционална лампа.
През последните 15 години тези устройства се научиха да се използват за укротяване на светлината до крайна степен. През 2004 г. Гулилмакис и колегите му се научиха как да произвеждат невероятно кратки импулси на рентгенови лъчи. Всеки импулс продължи само 250 атосекунди или 250 квинтилиона секунди.
Използвайки тези малки импулси като светкавица на камерата, те успяха да заснемат изображения на отделни вълни от видима светлина, които се колебаят много по-бавно. Те буквално са снимали движеща се светлина.
„Още от Максуел знаехме, че светлината е осцилиращо електромагнитно поле, но никой дори не си помисли, че можем да правим снимки на трептяща светлина“, казва Гулилмакис.
Наблюдението на тези отделни светлинни вълни беше първата стъпка към манипулиране и модифициране на светлината, казва той, подобно на това, че променяме радиовълните, за да пренасят радио и телевизионни сигнали.
Преди век фотоелектричният ефект показа, че видимата светлина влияе върху електроните в метал. Гулилмакис казва, че трябва да е възможно точното управление на тези електрони, като се използват видими светлинни вълни, модифицирани да взаимодействат с метала по точно определен начин. „Можем да манипулираме светлината и да я използваме, за да манипулираме материята“, казва той.
Това може да направи революция в електрониката, да доведе до ново поколение оптични компютри, които са по-малки и по-бързи от нашите. „Можем да движим електрони, както ни харесва, създавайки електрически токове вътре в твърди тела с помощта на светлина, а не както в обикновената електроника.“
Ето още един начин да се опише светлината: тя е инструмент
Обаче нищо ново. Животът използва светлината откакто първите примитивни организми развиват чувствителни към светлина тъкани. Очите на хората улавят фотоните на видимата светлина, ние ги използваме за изучаване на околния свят. Съвременните технологии водят тази идея още по-далеч. През 2014 г. Нобеловата награда за химия е присъдена на изследователи, които са построили светлинен микроскоп, толкова мощен, че се смята за физически невъзможно. Оказа се, че ако се опитаме, светлината може да ни покаже неща, които сме смятали, че никога няма да видим.
