Körülöttünk van, és lehetővé teszi számunkra, hogy világot lássunk. De kérdezzen meg minket, és a legtöbb ember nem tudja megmagyarázni, mi is ez a fény valójában. A fény segít megérteni a világot, amelyben élünk. Nyelvünk ezt tükrözi: a sötétben érintéssel mozogunk, a hajnal kezdetével együtt kezdjük látni a fényt. És még messze vagyunk a fény megértésétől. Ha közelebb hoz egy fénysugarat, mit tartalmaz? Igen, a fény hihetetlenül gyorsan mozog, de nem használható-e utazáshoz? És így tovább, és így tovább.
Természetesen ennek nem szabad így lennie. A fény évszázadok óta zavarba hozza a legjobb elméket, de az elmúlt 150 év jelentős felfedezései fokozatosan felhúzták a rejtély leplét ezen a rejtélyen. Most már többé-kevésbé megértjük, mi az.
Korunk fizikusai nemcsak megértik a fény természetét, hanem példátlan pontossággal próbálják kontrollálni azt - ami azt jelenti, hogy a fény nagyon hamar a legcsodálatosabb módon működhet. Emiatt az ENSZ 2015-et a Fény Nemzetközi Évévé nyilvánította.
A fény mindenféle módon leírható. De érdemes ezzel kezdeni: a fény a sugárzás (sugárzás) egyik formája. És ennek az összehasonlításnak van értelme. Tudjuk, hogy a felesleges napfény bőrrákot okozhat. Azt is tudjuk, hogy a sugárterhelés veszélyeztetheti a rák egyes formáit; könnyű párhuzamokat vonni.
De a sugárzás minden formája nem egyenlő. A 19. század végén a tudósok meghatározhatták a fénysugárzás pontos lényegét. És a legfurcsább az, hogy ez a felfedezés nem a fény tanulmányozásából származott, hanem az áram és a mágnesesség természetével kapcsolatos több évtizedes munkából származott.
Úgy tűnik, hogy az áram és a mágnesség teljesen más dolog. De olyan tudósok, mint Hans Christian Oersted és Michael Faraday, azt tapasztalták, hogy mélyen összefonódnak. Oersted felfedezte, hogy egy vezetéken áthaladó elektromos áram eltéríti a mágneses iránytű tűjét. Időközben Faraday felfedezte, hogy egy mágnes mozgatása egy vezeték közelében elektromos áramot generálhat a vezetékben.
Az akkori matematikusok ezeket a megfigyeléseket felhasználva létrehoztak egy elméletet, amely leírta ezt a furcsa új jelenséget, amelyet "elektromágnesességnek" neveztek. De a teljes képet csak James Clerk Maxwell tudta leírni.
Maxwell tudományhoz való hozzájárulását aligha lehet túlbecsülni. Albert Einstein, akit Maxwell ihletett, elmondta, hogy örökre megváltoztatta a világot. Számításai többek között segítettek megérteni, mi is a fény.
Promóciós videó:
Maxwell kimutatta, hogy az elektromos és mágneses mezők hullámokban haladnak, és ezek a hullámok fénysebességgel haladnak. Ez lehetővé tette Maxwell számára, hogy megjósolja, hogy magát a fényt elektromágneses hullámok hordozzák - ami azt jelenti, hogy a fény az elektromágneses sugárzás egyik formája.
Az 1880-as évek végén, néhány évvel Maxwell halála után, Heinrich Hertz német fizikus volt az első, aki hivatalosan is bizonyította, hogy Maxwell elmélete az elektromágneses hullámról helyes.
"Biztos vagyok abban, hogy ha Maxwell és Hertz a Nobel-díj korszakában élnének, mindenképpen megkapnák" - mondja Graham Hall, az Egyesült Királyság Aberdeeni Egyeteméről - ahol Maxwell az 1850-es évek végén dolgozott.
Maxwell más, praktikusabb okból szerepel a fénytudomány évkönyveiben. 1861-ben bemutatta az első stabil színes fényképezést a háromszínű szűrőrendszer használatával, amely megalapozta a színes fotózás számos formáját.
Már maga a mondat, miszerint a fény az elektromágneses sugárzás egyik formája, nem mond sokat. De segít leírni, amit mindannyian értünk: a fény a színek spektruma. Ez a megfigyelés Isaac Newton munkájára vezethető vissza. A színspektrumot teljes dicsőségében látjuk, amikor szivárvány emelkedik az égen - és ezek a színek közvetlenül kapcsolódnak Maxwell elektromágneses hullámok koncepciójához.
A szivárvány egyik végén a piros fény elektromágneses sugárzás, amelynek hullámhossza 620 - 750 nanométer; az ibolyaszín a másik végén 380–450 nm hullámhosszú sugárzás. De az elektromágneses sugárzás több, mint a látható színek. A vörösnél hosszabb hullámhosszú fényt infravörösnek nevezzük. Az ibolyánál rövidebb hullámhosszú fényt ultraibolyának nevezzük. Sok állat láthat ultraibolya fényben, és néhány ember is lát - mondja Eleftherios Gulilmakis, a németországi Garchingban működő Max Planck Quantum Optics Intézet munkatársa. Bizonyos esetekben az emberek még infrát is látnak. Talán éppen ezért nem csodálkozunk azon, hogy ultraibolya és infravörös fényformákat hívunk.
Érdekes módon azonban, ha a hullámhosszak még rövidebbek vagy hosszabbak lesznek, abbahagyjuk őket "könnyűnek" nevezni. Az ultraibolya sugárzáson kívül az elektromágneses hullámok rövidebbek lehetnek, mint 100 nm. Ez a röntgensugarak és a gammasugarak területe. Hallottál már arról, hogy a röntgensugarakat fényformának nevezik?
"A tudós nem fogja azt mondani, hogy" röntgenfénnyel világítok át a tárgyon. " Azt fogja mondani, hogy "röntgent használok" - mondja Gulilmakis.
Eközben az infravörös és elektromágneses hullámhosszakon túl a hullámok 1 cm-ig, sőt akár több ezer kilométerig is elnyúlnak. Az ilyen elektromágneses hullámokat mikrohullámoknak vagy rádióhullámoknak nevezzük. Egyesek számára furcsának tűnhet a rádióhullámokat fényként érzékelni.
"A fizikai szempontból nincs sok fizikai különbség a rádióhullámok és a látható fény között" - mondja Gulilmakis. "Leírja őket ugyanazokkal az egyenletekkel és matematikával." Csak a mindennapi felfogásunk különbözteti meg őket.
Így a fény más meghatározását kapjuk. Ez az elektromágneses sugárzás nagyon szűk tartománya, amelyet a szemünk láthat. Más szavakkal, a fény egy szubjektív címke, amelyet csak érzékeink korlátai miatt használunk.
Ha részletesebb bizonyítékot szeretne kapni arról, mennyire szubjektív a színérzékelésünk, gondoljon a szivárványra. A legtöbb ember tudja, hogy a fény spektruma hét fő színt tartalmaz: piros, narancs, sárga, zöld, cián, kék és ibolya. Még praktikus közmondásaink és mondásaink is vannak azokról a vadászokról, akik szeretnék tudni, hol van egy fácán. Nézzen meg egy szép szivárványt, és próbálja meglátni mind a hetet. Még Newtonnak sem sikerült. A tudósok azt gyanítják, hogy a tudós hét színre osztotta a szivárványt, mivel a "hét" szám nagyon fontos volt az ókori világ számára: hét hang, a hét hét napja stb.
Maxwell elektromágneses munkája egy lépéssel tovább vitt minket, és megmutatta, hogy a látható fény a sugárzás széles spektrumának része. A fény valódi természete is világossá vált. Évszázadok óta a tudósok megpróbálták megérteni, hogy a fény valójában milyen formát ölt a fundamentális skálán, amikor a fényforrástól a szemünkig halad.
Egyesek úgy vélték, hogy a fény hullámok vagy hullámok formájában mozog a levegőn vagy a titokzatos "éteren" keresztül. Mások szerint ez a hullámmodell hibás volt, és a fényt apró részecskék áramának tekintették. Newton az utóbbi vélemény felé hajolt, főleg egy sor fénnyel és tükrökkel végzett kísérlet után.
Rájött, hogy a fénysugarak szigorú geometriai szabályoknak engedelmeskednek. A tükörben visszaverődő fénysugár úgy viselkedik, mint egy gömb, amelyet közvetlenül a tükörbe dobnak. A hullámok nem feltétlenül követik ezeket a kiszámítható egyeneseket, javasolta Newton, ezért a fényt valamilyen apró, tömeg nélküli részecskének kell hordoznia.
A probléma az, hogy voltak ugyanolyan meggyőző bizonyítékok arra, hogy a fény hullám. Ennek egyik legvilágosabb demonstrációja 1801-ben volt. A Thomas Young kettős résű kísérletet elvileg otthon is önállóan lehet elvégezni.
Vegyen egy vastag kartonlapot, és óvatosan vágjon bele két vékony függőleges vágást. Ezután vegyen egy "koherens" fényforrást, amely csak egy bizonyos hullámhosszú fényt bocsát ki: a lézer rendben van. Ezután irányítsa a fényt két résbe úgy, hogy áthaladva a másik felületre essen.
Várhatóan két fényes függőleges vonalat lát a második felületen, ahol a fény áthaladt a réseken. De amikor Jung elvégezte a kísérletet, világos és sötét vonalak sorozatát látta, mint egy vonalkód.
Amikor a fény vékony réseken halad át, úgy viselkedik, mint egy keskeny nyíláson áthaladó vízhullámok: szétszóródnak és félgömb alakú hullámok formájában terjednek.
Amikor ez a fény két résen halad át, mindegyik hullám csillapítja a másikat, sötét foltokat képezve. Amikor a hullámok összefognak, kiegészülve világos függőleges vonalakat képeznek. Young kísérlete szó szerint megerősítette a hullámmodellt, ezért Maxwell szilárd matematikai formába öntötte az ötletet. A fény hullám.
De aztán kvantumforradalom következett
A 19. század második felében a fizikusok megpróbálták kideríteni, hogy egyes anyagok hogyan és miért szívják el és bocsátják ki jobban az elektromágneses sugárzást, mint mások. Meg kell jegyezni, hogy akkoriban az elektromos könnyűipar még csak fejlődött, ezért a fényt kibocsátó anyagok komoly dolognak számítottak.
A 19. század vége felé a tudósok felfedezték, hogy az objektum által kibocsátott elektromágneses sugárzás mennyisége változik a hőmérsékletével, és megmérték ezeket a változásokat. De senki sem tudta, miért történik ez. 1900-ban Max Planck megoldotta ezt a problémát. Megállapította, hogy a számítások megmagyarázhatják ezeket a változásokat, de csak akkor, ha feltételezzük, hogy az elektromágneses sugárzás apró, diszkrét részekben továbbítódik. Planck "quanta" -nak, a latin "quantum" többes számának nevezte őket. Néhány évvel később Einstein ötleteit vette alapul, és egy újabb meglepő kísérletet ismertetett.
A fizikusok felfedezték, hogy egy fémdarab pozitív töltésűvé válik, ha látható vagy ultraibolya fénnyel besugárzik. Ezt a hatást fotoelektromosnak nevezték.
A fém atomjai negatív töltésű elektronokat vesztettek. Nyilvánvalóan a fény elegendő energiát juttatott a fémhez ahhoz, hogy felszabadítsa az elektronok egy részét. De miért nem ezt tették az elektronok, nem volt világos. Több energiát hordozhatnak egyszerűen a fény színének megváltoztatásával. Az ibolya fénnyel besugárzott fém által kibocsátott elektronok több energiát hordoznak, mint a vörös fénnyel besugárzott fém által kibocsátott elektronok.
Ha a fény csak hullám lenne, nevetséges lenne
Általában megváltoztatja az energia mennyiségét a hullámban, és nagyobbá teszi azt - képzelje el a pusztító erő nagy szökőárát -, nem pedig hosszabb vagy rövidebb. Tágabb értelemben a fény elektronokhoz továbbító energiájának növelésének legjobb módja a fényhullám magasabbra emelése: vagyis a fény világosabbá tétele. A hullámhossz és így a fény megváltoztatásának nem kellett volna sokat változtatnia.
Einstein rájött, hogy a fotoelektromos hatást könnyebb megérteni, ha a fényt képviseli a Planck-kvantumok terminológiájában.
Azt javasolta, hogy a fény apró kvantumdarabokban kerüljön tovább. Mindegyik kvantum hordozza a hullámhosszhoz kapcsolódó diszkrét energia egy részét: minél rövidebb a hullámhossz, annál sűrűbb az energia. Ez megmagyarázhatja, hogy az ibolya fény viszonylag rövid hullámhosszú részei miért hordoznak több energiát, mint a vörös fény viszonylag hosszú részei.
Ez azt is megmagyarázná, hogy a fényerő növelése pusztán miért nem befolyásolja igazán az eredményt.
A fényesebb fény több fényrészletet juttat a fémhez, de ez nem változtatja meg az egyes részek által hordozott energia mennyiségét. Nagyjából szólva az ibolya fény egy része több energiát tud átvinni egy elektronra, mint a vörös fény sok része.
Einstein ezeket az energiarészeket fotonoknak nevezte, és ma már alapvető részecskékként ismerik fel őket. A látható fényt fotonok viszik át, és az elektromágneses sugárzás egyéb formái, például röntgensugarak, mikrohullámú és rádióhullámok is. Más szavakkal, a fény részecske.
Ezzel a fizikusok úgy döntöttek, hogy befejezik a vitát arról, hogy miből áll a fény. Mindkét modell annyira meggyőző volt, hogy nem volt értelme elhagyni egyet. Sok nem fizikus meglepetésére a tudósok úgy döntöttek, hogy a fény egyszerre viselkedik részecskeként és hullámként. Más szavakkal, a fény paradoxon.
Ugyanakkor a fizikusoknak nem volt problémájuk a fény megosztott személyiségével. Ez bizonyos mértékig kétszeresen hasznosította a fényt. Ma a szó szoros értelmében vett világítótestek munkájára támaszkodva - Maxwell és Einstein - mindent kiszorítunk a fényből.
Kiderült, hogy a fényhullám és a fényrészecske leírásához használt egyenletek ugyanolyan jól működnek, de egyes esetekben az egyik könnyebben használható, mint a másik. Tehát a fizikusok váltanak közöttük, hasonlóan ahhoz, ahogyan métereket használunk saját magasságunk leírására, és kilométerekre haladunk a biciklizés leírására.
Egyes fizikusok fényt próbálnak felhasználni titkosított kommunikációs csatornák létrehozására, például pénzátutalásokra. Számukra van értelme a fényt részecskékként gondolni. Ennek oka a kvantumfizika furcsa természete. Két alapvető részecske, például egy fotonpár, „összefonódhat”. Ez azt jelenti, hogy közös tulajdonságokkal rendelkeznek, függetlenül attól, hogy milyen távol vannak egymástól, így felhasználhatók információk átadására a Föld két pontja között.
Ennek az összefonódásnak egy másik jellemzője, hogy a fotonok kvantumállapota megváltozik olvasásukkor. Ez azt jelenti, hogy ha valaki titkosított csatornán próbál lehallgatni, elméletileg azonnal elárulja jelenlétét.
Mások, mint Gulilmakis, fényt használnak az elektronikában. Hasznosabbnak tartják, ha a fényt szelídíthető és irányítható hullámok sorozataként képzelik el. A "fénymező szintetizátoroknak" nevezett modern eszközök a fényhullámokat tökéletes szinkronban tudják kombinálni egymással. Ennek eredményeként intenzívebb, rövid élettartamú és irányítottabb fényimpulzusokat hoznak létre, mint egy hagyományos lámpa fénye.
Az elmúlt 15 évben ezeket az eszközöket megtanulták használni, hogy szélsőségesen megszelídítsék a fényt. 2004-ben Gulilmakis és munkatársai megtanultak hihetetlenül rövid röntgensugárzást létrehozni. Minden impulzus csak 250 attoszekundumig, vagyis 250 kvintmilliárd másodpercig tartott.
Ezeket az apró impulzusokat, mint a fényképezőgép vakuja, képesek voltak rögzíteni a látható fény egyes hullámainak képeit, amelyek sokkal lassabban oszcillálnak. Szó szerint képeket készítettek a mozgó fényről.
"Maxwell kora óta tudtuk, hogy a fény oszcilláló elektromágneses mező, de senki sem gondolta, hogy képeket készíthetnénk az oszcilláló fényről" - mondja Gulilmakis.
Ezen egyedi fényhullámok megfigyelése volt az első lépés a fény manipulálása és módosítása felé, mondja, hasonlóan ahhoz, hogy a rádióhullámokat úgy változtassuk meg, hogy rádió- és televíziós jeleket hordozzunk.
Száz évvel ezelőtt a fotoelektromos hatás azt mutatta, hogy a látható fény befolyásolja a fém elektronjait. Gulilmakis szerint lehetővé kell tenni, hogy ezeket az elektronokat pontosan ellenőrizzék olyan látható fényhullámokkal, amelyek módosítottak, hogy jól meghatározott módon kölcsönhatásba lépjenek a fémmel. "A fényt manipulálhatjuk, és felhasználhatjuk az anyag manipulálására" - mondja.
Ez forradalmasíthatja az elektronikát, új optikai számítógépek generációjához vezethet, amelyek kisebbek és gyorsabbak, mint a miénk. "Elektronokat tetszés szerint mozgathatunk, a szilárd anyagok belsejében a fény segítségével elektromos áramokat hozhatunk létre, és nem úgy, mint a szokásos elektronikában."
A fény leírásának egy másik módja: ez egy eszköz
Azonban semmi új. Az élet azóta használja a fényt, hogy az első primitív organizmusok fényérzékeny szöveteket fejlesztettek ki. Az emberek szeme megragadja a látható fény fotonjait, felhasználjuk őket a körülöttünk lévő világ tanulmányozására. A modern technológia ezt az ötletet még tovább viszi. 2014-ben kémiai Nobel-díjat kaptak azok a kutatók, akik olyan erős fénymikroszkópot építettek, hogy azt fizikailag lehetetlennek tartották. Kiderült, hogy ha megpróbáljuk, a fény olyan dolgokat mutathat meg nekünk, amelyeket úgy gondoltunk, hogy soha nem fogunk látni.