On je oko nas i omogućuje nam da vidimo svijet. Ali pitajte bilo koga od nas i većina neće moći objasniti što je ovo svjetlo zapravo. Svjetlost nam pomaže razumjeti svijet u kojem živimo. Naš jezik to odražava: u tami koju pomičemo dodirom, počinjemo ugledati svjetlost zajedno s početkom zore. Pa ipak, daleko smo od toga da u potpunosti razumijemo svjetlost. Ako približite zraku svjetlosti, što će biti u njoj? Da, svjetlost se kreće nevjerojatno brzo, ali ne može li se koristiti za putovanja? I tako dalje.
Naravno, to ne bi trebao biti slučaj. Svjetlost je stoljećima zbunjivala najbolje umove, ali značajna otkrića tijekom posljednjih 150 godina postupno su podigla veo tajne nad ovom misterijom. Sad više-manje razumijemo što je to.
Fizičari našeg doba ne samo da shvaćaju prirodu svjetlosti, već je i pokušavaju kontrolirati s neviđenom preciznošću - što znači da se svjetlost vrlo brzo može natjerati da djeluje na najnevjerojatniji način. Iz tog su razloga Ujedinjeni narodi 2015. godinu proglasili Međunarodnom godinom svjetlosti.
Svjetlost se može opisati na sve načine. Ali vrijedi započeti s ovim: svjetlost je oblik zračenja (zračenja). I ova usporedba ima smisla. Znamo da višak sunčeve svjetlosti može uzrokovati rak kože. Također znamo da vas izloženost zračenju može dovesti u rizik za neke oblike raka; nije teško povući paralele.
Ali nisu svi oblici zračenja jednaki. Krajem 19. stoljeća znanstvenici su uspjeli utvrditi točnu bit svjetlosnog zračenja. I najčudnije je što ovo otkriće nije proizašlo iz proučavanja svjetlosti, već je proizašlo iz desetljeća rada na prirodi elektriciteta i magnetizma.
Čini se da su električna energija i magnetizam potpuno različite stvari. No, znanstvenici poput Hansa Christiana Oersteda i Michaela Faradaya otkrili su da su duboko isprepleteni. Oersted je otkrio da električna struja koja prolazi kroz žicu skreće iglu magnetskog kompasa. U međuvremenu je Faraday otkrio da pomicanje magneta u blizini žice može generirati električnu struju u žici.
Tadašnji matematičari koristili su ta opažanja da bi stvorili teoriju koja opisuje ovaj neobični novi fenomen, koji su nazvali "elektromagnetizam". Ali samo je James Clerk Maxwell uspio opisati cjelovitu sliku.
Maxwellov doprinos znanosti teško se može precijeniti. Albert Einstein, kojeg je Maxwell nadahnuo, rekao je da je zauvijek promijenio svijet. Između ostalog, njegovi proračuni pomogli su nam da shvatimo što je svjetlost.
Promotivni video:
Maxwell je pokazao da električna i magnetska polja putuju u valovima, a ti valovi putuju brzinom svjetlosti. To je Maxwellu omogućilo da predvidi da samu svjetlost nose elektromagnetski valovi - što znači da je svjetlost oblik elektromagnetskog zračenja.
Krajem 1880-ih, nekoliko godina nakon Maxwellove smrti, njemački fizičar Heinrich Hertz prvi je službeno pokazao da je Maxwellov teorijski koncept elektromagnetskog vala točan.
"Siguran sam da bi Maxwell i Hertz živjeli u doba Nobelove nagrade, sigurno bi je dobili", kaže Graham Hall sa Sveučilišta Aberdeen u Velikoj Britaniji - gdje je Maxwell radio krajem 1850-ih.
Maxwell se svrstava u anale znanosti o svjetlosti iz drugog, praktičnijeg razloga. 1861. otkrio je prvu stabilnu fotografiju u boji pomoću trobojnog filtarskog sustava, koji je postavio temelje mnogim oblicima fotografije u boji danas.
Sama fraza da je svjetlost oblik elektromagnetskog zračenja ne govori puno. Ali pomaže opisati ono što svi razumijemo: svjetlost je spektar boja. Ovo zapažanje seže do djela Isaaca Newtona. Spektar boja vidimo u punom sjaju kad se na nebu uzdiže duga - a ove su boje izravno povezane s Maxwellovim konceptom elektromagnetskih valova.
Crveno svjetlo na jednom kraju duge je elektromagnetsko zračenje s valnom duljinom od 620 do 750 nanometara; ljubičasta boja na drugom kraju je zračenje s valnom duljinom od 380 do 450 nm. Ali elektromagnetsko zračenje ima više od vidljivih boja. Svjetlost s valnom duljinom duljom od crvene je ono što nazivamo infracrvenom. Svjetlost s valnom duljinom kraćom od ljubičaste naziva se ultraljubičastom. Mnoge životinje mogu vidjeti u ultraljubičastom svjetlu, a neki ljudi također mogu vidjeti, kaže Eleftherios Gulilmakis iz Instituta za kvantnu optiku Max Planck u Garchingu u Njemačkoj. U nekim slučajevima ljudi čak vide i infracrvenu. Možda se zato ne čudimo što ultraljubičaste i infracrvene oblike nazivamo svjetlošću.
Zanimljivo je, međutim, ako valne duljine postanu još kraće ili duže, prestajemo ih nazivati "svjetlom". Izvan ultraljubičastog zraka, elektromagnetski valovi mogu biti kraći od 100 nm. Ovo je područje X-zraka i gama zraka. Jeste li ikad čuli za rendgenske zrake koje se nazivaju oblikom svjetlosti?
"Znanstvenik neće reći" Sijam kroz objekt rendgenskom svjetlošću ". Reći će "koristim rendgenske zrake", kaže Gulilmakis.
U međuvremenu, izvan infracrvene i elektromagnetske valne duljine, valovi se protežu do 1 cm, pa čak i tisuće kilometara. Takvi elektromagnetski valovi nazivaju se mikrovalnim ili radio valovima. Nekima se može činiti čudnim doživljavati radio valove kao svjetlost.
"Nema puno fizičke razlike između radio valova i vidljive svjetlosti s fizičkog stajališta", kaže Gulilmakis. "Opisati ćete ih istim jednadžbama i matematikom." Razlikuje ih samo naša svakodnevna percepcija.
Tako dobivamo drugačiju definiciju svjetlosti. Ovo je vrlo uski raspon elektromagnetskog zračenja koji naše oči mogu vidjeti. Drugim riječima, svjetlost je subjektivna oznaka koju koristimo samo zbog ograničenja svojih osjetila.
Ako želite detaljnije dokaze o tome koliko je naša percepcija boje subjektivna, razmislite o dugi. Većina ljudi zna da spektar svjetlosti sadrži sedam osnovnih boja: crvenu, narančastu, žutu, zelenu, cijan, plavu i ljubičastu. Imamo čak i zgodne poslovice i izreke o lovcima koji žele znati gdje je fazan. Pogledajte lijepu dugu i pokušajte vidjeti svih sedam. Ni Newton nije uspio. Znanstvenici sumnjaju da je znanstvenik podijelio dugu u sedam boja, budući da je broj "sedam" bio vrlo važan za drevni svijet: sedam nota, sedam dana u tjednu itd.
Maxwellov rad na elektromagnetizmu odveo nas je korak dalje i pokazao da je vidljiva svjetlost dio širokog spektra zračenja. Jasna je postala i prava priroda svjetlosti. Stoljećima su znanstvenici pokušavali shvatiti kakav oblik svjetlost zapravo poprima temeljnu skalu dok putuje od izvora svjetlosti do naših očiju.
Neki su vjerovali da se svjetlost kreće u obliku valova ili mreškanja, kroz zrak ili tajanstveni "eter". Drugi su mislili da je ovaj model vala manjkav i smatrali su da je svjetlost tok sitnih čestica. Newton se nagnuo prema drugom mišljenju, posebno nakon niza eksperimenata koje je proveo sa svjetlom i zrcalima.
Shvatio je da se zrake svjetlosti pokoravaju strogim geometrijskim pravilima. Zraka svjetlosti koja se odražava u zrcalu ponaša se poput kugle bačene izravno u zrcalo. Valovi neće nužno slijediti ove predvidljive ravne linije, predložio je Newton, pa svjetlost moraju nositi neki oblik sitnih čestica bez mase.
Problem je u tome što su postojali jednako uvjerljivi dokazi da je svjetlost val. Jedna od najjasnijih demonstracija toga bila je 1801. godine. Pokus Thomas Young s dvostrukim prorezom, u principu, može se samostalno raditi kod kuće.
Uzmite list debelog kartona i pažljivo izrežite u njemu dva tanka okomita reza. Zatim uzmite "koherentni" izvor svjetlosti koji će emitirati samo svjetlost određene valne duljine: laser će se sasvim dobro snaći. Zatim usmjerite svjetlost na dva proreza tako da prolazeći pada na drugu površinu.
Očekivali biste vidjeti dvije svijetle okomite crte na drugoj površini gdje je svjetlost prošla kroz proreze. Ali kad je Jung izveo eksperiment, vidio je slijed svijetlih i tamnih linija poput crtičnog koda.
Kad svjetlost prolazi kroz tanke proreze, ponaša se poput vodenih valova koji prolaze kroz uski otvor: rasipaju se i šire u obliku hemisferičnih mreškanja.
Kad ovo svjetlo prođe kroz dva proreza, svaki val ugasi drugi stvarajući tamne mrlje. Kada se talasi zbližavaju, nadopunjuju se tako da tvore svijetle okomite crte. Youngov je eksperiment doslovno potvrdio valni model, pa je Maxwell ideju stavio u čvrst matematički oblik. Svjetlost je val.
Ali tada je došlo do kvantne revolucije
U drugoj polovici devetnaestog stoljeća fizičari su pokušali dokučiti kako i zašto neki materijali apsorbiraju i emitiraju elektromagnetsko zračenje bolje od drugih. Vrijedno je napomenuti da se električna svjetlosna industrija tada tek razvijala, pa su materijali koji mogu emitirati svjetlost bili ozbiljna stvar.
Potkraj devetnaestog stoljeća znanstvenici su otkrili da se količina elektromagnetskog zračenja koje emitira objekt mijenja s njegovom temperaturom i izmjerili su te promjene. Ali nitko nije znao zašto se to događa. 1900. Max Planck je riješio ovaj problem. Otkrio je da proračuni mogu objasniti ove promjene, ali samo ako pretpostavimo da se elektromagnetsko zračenje prenosi u malim diskretnim dijelovima. Planck ih je nazvao "kvantima", množinom latinskog "kvant". Nekoliko godina kasnije, Einstein je uzeo svoje ideje za osnovu i objasnio još jedan iznenađujući eksperiment.
Fizičari su otkrili da komad metala postaje pozitivno nabijen kad je ozračen vidljivom ili ultraljubičastom svjetlošću. Ovaj efekt nazvan je fotonaponski.
Atomi u metalu izgubili su negativno nabijene elektrone. Očito je svjetlost metalu isporučila dovoljno energije da oslobodi dio elektrona. Ali zašto su to učinili elektroni, nije bilo jasno. Jednostavnom promjenom boje svjetlosti mogli bi nositi više energije. Točnije, elektroni oslobođeni metalom ozračenim ljubičastom svjetlošću nosili su više energije od elektrona oslobođeni metalom ozračenim crvenom svjetlošću.
Da je svjetlost samo val, bilo bi smiješno
Količinu energije u valu obično mijenjate, povećavajući je - zamislite visoki tsunami razorne moći - a ne dulju ili kraću. Šire gledano, najbolji način da se poveća energija koja svjetlost prenosi na elektrone je povećati svjetlosni val: to jest, učiniti svjetlost svjetlijom. Promjena valne duljine, a time i svjetlosti, ne bi trebala imati velike razlike.
Einstein je shvatio da je fotoelektrični efekt lakše razumjeti ako predstavljate svjetlost u terminologiji Planckovih kvanta.
Predložio je da se svjetlost prenosi u sitnim kvantnim komadima. Svaki kvant nosi dio diskretne energije povezan s valnom duljinom: što je kraća valna duljina, to je energija gušća. To bi moglo objasniti zašto dijelovi ljubičaste svjetlosti relativno kratkih valnih duljina nose više energije od relativno dugih dijelova crvene svjetlosti.
To bi također objasnilo zašto jednostavno povećanje svjetline svjetla zapravo ne utječe na rezultat.
Jače svjetlo isporučuje više dijelova svjetlosti metalu, ali to ne mijenja količinu energije koju nosi svaki dio. Grubo rečeno, jedan dio ljubičaste svjetlosti može prenijeti više energije na jedan elektron od mnogih dijelova crvene svjetlosti.
Einstein je te dijelove energetskih fotona nazvao i sada su prepoznati kao temeljne čestice. Vidljivu svjetlost nose fotoni, a nose se i drugi oblici elektromagnetskog zračenja poput X-zraka, mikrovalnih i radio valova. Drugim riječima, svjetlost je čestica.
U ovom su trenutku fizičari odlučili završiti raspravu o tome od čega se sastoji svjetlost. Oba su modela bila toliko uvjerljiva da nije bilo smisla napustiti jedan. Na iznenađenje mnogih nefizičara, znanstvenici su odlučili da se svjetlost istovremeno ponaša poput čestice i vala. Drugim riječima, svjetlost je paradoks.
Istodobno, fizičari nisu imali problema s podijeljenom osobnošću svjetlosti. To je do neke mjere svjetlost učinilo dvostruko korisnom. Danas, oslanjajući se na rad svjetiljki u doslovnom smislu riječi - Maxwella i Einsteina - istiskujemo sve iz svjetlosti.
Ispada da jednadžbe koje se koriste za opisivanje svjetlosnog vala i svjetlosnih čestica djeluju jednako dobro, ali u nekim je slučajevima jedno lakše koristiti od drugog. Stoga se fizičari prebacuju između njih, slično kao što mi koristimo metre za opisivanje vlastite visine i idemo na kilometre, opisujući vožnju biciklom.
Neki fizičari pokušavaju upotrijebiti svjetlost za stvaranje šifriranih komunikacijskih kanala, na primjer za prijenos novca. Ima smisla da svjetlost misle kao čestice. To je zbog čudne prirode kvantne fizike. Dvije temeljne čestice, poput para fotona, mogu se "zaplesti". To znači da će imati zajednička svojstva, bez obzira na međusobno udaljenost, tako da se mogu koristiti za prijenos podataka između dviju točaka na Zemlji.
Sljedeća je značajka ove zapletenosti da se kvantno stanje fotona mijenja kada se čitaju. To znači da će, ako netko pokuša prisluškivati šifrirani kanal, u teoriji, odmah će izdati svoju prisutnost.
Drugi, poput Gulilmakisa, koriste svjetlost u elektronici. Smatraju korisnijim zamišljati svjetlost kao niz valova koje je moguće ukrotiti i kontrolirati. Moderni uređaji nazvani sintetizatori svjetlosnog polja mogu međusobno savršeno spajati svjetlosne valove. Kao rezultat, oni stvaraju impulse svjetlosti koji su intenzivniji, kratkotrajniji i usmjereniji od svjetlosti uobičajene svjetiljke.
Tijekom posljednjih 15 godina ti su se uređaji naučili koristiti za ukroćenje svjetlosti do krajnje mjere. Godine 2004. Gulilmakis i njegovi kolege naučili su kako stvarati nevjerojatno kratke impulse X-zraka. Svaki je puls trajao samo 250 attosekundi, odnosno 250 kvintiliona sekundi.
Koristeći ove malene impulse poput bljeskalice fotoaparata, mogli su zabilježiti slike pojedinačnih valova vidljive svjetlosti koji osciliraju puno sporije. Doslovno su slikali pokretnu svjetlost.
"Još od Maxwellovih vremena znali smo da je svjetlost oscilirajuće elektromagnetsko polje, ali nitko nije ni pomislio da možemo slikati oscilirajuću svjetlost", kaže Gulilmakis.
Promatranje ovih pojedinačnih valova svjetlosti bio je prvi korak ka manipulaciji i modificiranju svjetlosti, kaže on, slično kao što mijenjamo radio valove da nose radio i televizijske signale.
Prije stotinu godina fotoelektrični efekt pokazao je da vidljiva svjetlost utječe na elektrone u metalu. Gulilmakis kaže da bi trebalo biti moguće precizno kontrolirati te elektrone pomoću vidljivih svjetlosnih valova modificiranih da interakciju s metalom čine na točno definiran način. "Možemo manipulirati svjetlošću i koristiti je za manipulaciju materijom", kaže on.
To bi moglo revolucionirati elektroniku, dovesti do nove generacije optičkih računala koja su manja i brža od našeg. "Možemo pokretati elektrone kako želimo, stvarajući električne struje unutar krutina uz pomoć svjetlosti, a ne kao u običnoj elektronici."
Evo još jednog načina za opisivanje svjetlosti: to je instrument
Međutim, ništa novo. Život koristi svjetlost otkad su prvi primitivni organizmi razvili svjetlosno osjetljiva tkiva. Oči ljudi hvataju fotone vidljive svjetlosti, mi ih koristimo za proučavanje svijeta oko nas. Suvremena tehnologija ide ovu ideju još dalje. 2014. godine Nobelova nagrada za kemiju dodijeljena je istraživačima koji su izgradili svjetlosni mikroskop toliko moćan da se smatralo fizički nemogućim. Ispostavilo se da ako pokušamo, svjetlost nam može pokazati stvari za koje smo mislili da ih nikada nećemo vidjeti.
