Jis yra šalia mūsų ir leidžia pamatyti pasaulį. Tačiau paklauskite bet kurio iš mūsų, ir dauguma negalės paaiškinti, kas iš tikrųjų yra ši šviesa. Šviesa padeda suprasti pasaulį, kuriame gyvename. Mūsų kalba tai atspindi: tamsoje mes judame prisilietimu, pradedame matyti šviesą kartu su aušros pradžia. Ir vis dėlto esame toli gražu ne iki galo suprantantys šviesą. Jei priartinsite šviesos spindulį, kas jame bus? Taip, šviesa juda neįtikėtinai greitai, bet ar jos negalima naudoti kelionėms? Ir taip toliau.
Žinoma, taip neturėtų būti. Šviesa amžiams glumino geriausius protus, tačiau pastebimi atradimai per pastaruosius 150 metų palaipsniui pakėlė paslapties šydą dėl šios paslapties. Dabar mes daugiau ar mažiau suprantame, kas tai yra.
Mūsų laikų fizikai ne tik suvokia šviesos prigimtį, bet ir bando ją suvaldyti precedento neturinčiu tikslumu - tai reiškia, kad šviesą labai greitai galima priversti veikti nuostabiausiu būdu. Dėl šios priežasties Jungtinės Tautos 2015 metus paskelbė Tarptautiniais šviesos metais.
Šviesą galima apibūdinti įvairiausiais būdais. Bet verta pradėti nuo to: šviesa yra radiacijos (spinduliuotės) forma. Ir šis palyginimas turi prasmę. Mes žinome, kad saulės spindulių perteklius gali sukelti odos vėžį. Mes taip pat žinome, kad radiacijos poveikis gali sukelti riziką susirgti kai kuriomis vėžio formomis; nesunku nubrėžti paraleles.
Bet ne visos radiacijos formos yra sukurtos vienodos. XIX amžiaus pabaigoje mokslininkams pavyko nustatyti tikslią šviesos spinduliuotės esmę. Kas keisčiausia, tai, kad šis atradimas atsirado ne tiriant šviesą, o daugelį dešimtmečių trukusio darbo, susijusio su elektros ir magnetizmo prigimtimi.
Atrodo, kad elektra ir magnetizmas yra visiškai skirtingi dalykai. Tačiau tokie mokslininkai kaip Hansas Christianas Oerstedas ir Michaelas Faraday'as pastebėjo, kad jie yra giliai susipynę. Oerstedas atrado, kad per laidą einanti elektros srovė nukreipia magnetinio kompaso adatą. Tuo tarpu Faradėjus atrado, kad magneto perkėlimas šalia laido gali sukelti elektros srovę laide.
Tos dienos matematikai panaudojo šiuos stebėjimus kurdami teoriją, apibūdinančią šį keistą naują reiškinį, kurį jie pavadino „elektromagnetizmu“. Tačiau tik Jamesas Clerkas Maxwellas sugebėjo apibūdinti visą vaizdą.
Vargu ar galima pervertinti Maksvelio indėlį į mokslą. Maksvelo įkvėptas Albertas Einšteinas sakė, kad jis amžinai pakeitė pasaulį. Be kita ko, jo skaičiavimai padėjo mums suprasti, kas yra šviesa.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Maksvelas parodė, kad elektriniai ir magnetiniai laukai keliauja bangomis, o šios bangos - šviesos greičiu. Tai leido Maksvelui nuspėti, kad pačią šviesą nešioja elektromagnetinės bangos - tai reiškia, kad šviesa yra elektromagnetinės spinduliuotės forma.
1880-ųjų pabaigoje, praėjus keleriems metams po Maxwello mirties, vokiečių fizikas Heinrichas Hertzas pirmasis oficialiai įrodė, kad Maxwello teorinė elektromagnetinės bangos samprata yra teisinga.
„Esu įsitikinęs, kad jei Maxwellas ir Hertzas gyventų Nobelio premijos laikais, jie tikrai jį gautų“, - sako Graham Hallas iš Aberdyno universiteto JK, kur Maxwellas dirbo 1850-ųjų pabaigoje.
Maksvelas užima šviesos mokslo metraštį dėl kitokios, praktiškesnės priežasties. 1861 m. Jis pristatė pirmąją stabilią spalvotą fotografiją naudodamas trijų spalvų filtrų sistemą, kuri padėjo pagrindą daugeliui spalvotų fotografijų formų šiandien.
Pati frazė, kad šviesa yra elektromagnetinės spinduliuotės forma, nedaug pasako. Bet tai padeda apibūdinti tai, ką visi suprantame: šviesa yra spalvų spektras. Šis pastebėjimas grįžta į Isaaco Newtono kūrybą. Spalvų spektrą matome visoje savo šlovėje, kai danguje pakyla vaivorykštė - ir šios spalvos yra tiesiogiai susijusios su Maksvelo elektromagnetinių bangų koncepcija.
Raudona šviesa viename vaivorykštės gale yra elektromagnetinė spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra nuo 620 iki 750 nanometrų; violetinė spalva kitame gale yra spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra nuo 380 iki 450 nm. Tačiau elektromagnetinė spinduliuotė yra daugiau nei matomos spalvos. Šviesa, kurios bangos ilgis yra ilgesnis nei raudonos, yra tai, ką mes vadiname infraraudonuoju. Šviesa, kurios bangos ilgis yra trumpesnis nei violetinė, vadinama ultravioletine. Daugelis gyvūnų gali matyti ultravioletinius spindulius, o kai kurie žmonės taip pat mato, sako Eleftheriosas Gulilmakis iš Maxo Plancko kvantinės optikos instituto Garčinge, Vokietijoje. Kai kuriais atvejais žmonės mato net infraraudonąjį spindulį. Galbūt todėl nesistebime, kad ultravioletinę ir infraraudonąją šviesos formas vadiname.
Keista, tačiau jei bangos ilgiai dar trumpesni ar ilgesni, mes nustojame juos vadinti „šviesiais“. Už ultravioletinių spindulių elektromagnetinės bangos gali būti trumpesnės nei 100 nm. Tai yra rentgeno ir gama spindulių sritis. Ar kada girdėjote, kad rentgeno spinduliai būtų vadinami šviesos forma?
- Mokslininkas nepasakys: „Aš spindžiu pro objektą rentgeno spinduliais“. Jis pasakys „Aš naudoju rentgeną“, - sako Gulilmakis.
Tuo tarpu už infraraudonųjų ir elektromagnetinių bangų ilgių bangos tęsiasi iki 1 cm ir net iki tūkstančių kilometrų. Tokios elektromagnetinės bangos vadinamos mikrobangomis arba radijo bangomis. Kai kuriems gali atrodyti keista suvokti radijo bangas kaip šviesą.
"Fizikos požiūriu nėra daug fizinių skirtumų tarp radijo bangų ir matomos šviesos", - sako Gulilmakis. - Aprašysi juos tomis pačiomis lygtimis ir matematika. Tik mūsų kasdienis suvokimas juos išskiria.
Taigi mes gauname kitokį šviesos apibrėžimą. Tai labai siauras elektromagnetinės spinduliuotės diapazonas, kurį gali pamatyti mūsų akys. Kitaip tariant, šviesa yra subjektyvi etiketė, kurią naudojame tik dėl savo pojūčių ribotumo.
Jei norite išsamesnių įrodymų, kaip subjektyviai suvokiame spalvą, pagalvokite apie vaivorykštę. Daugelis žmonių žino, kad šviesos spektras yra septynios pagrindinės spalvos: raudona, oranžinė, geltona, žalia, žydra, mėlyna ir violetinė. Mes netgi turime patogių patarlių ir posakių apie medžiotojus, kurie nori sužinoti, kur yra fazanas. Pažvelkite į gražią vaivorykštę ir pabandykite pamatyti visus septynis. Nepavyko net Niutonui. Mokslininkai įtaria, kad mokslininkas vaivorykštę padalijo į septynias spalvas, nes skaičius „septyni“buvo labai svarbus senovės pasauliui: septynios natos, septynios savaitės dienos ir kt.
Maksvelo darbas apie elektromagnetizmą žengė žingsnį toliau ir parodė, kad matoma šviesa yra plataus radiacijos spektro dalis. Taip pat paaiškėjo tikroji šviesos prigimtis. Šimtmečius mokslininkai bandė suprasti, kokia forma šviesa iš tikrųjų įgyja esminį mastą, jai keliaujant nuo šviesos šaltinio iki mūsų akių.
Kai kurie manė, kad šviesa juda bangų ar bangų pavidalu oru ar paslaptingu „eteriu“. Kiti manė, kad šis bangos modelis yra ydingas, ir šviesą laikė mažų dalelių srautu. Niutonas linko į pastarąją nuomonę, ypač po daugybės eksperimentų, kuriuos jis atliko su šviesa ir veidrodžiais.
Jis suprato, kad šviesos spinduliai paklūsta griežtoms geometrinėms taisyklėms. Veidrodyje atsispindintis šviesos spindulys elgiasi kaip kamuolys, įmestas tiesiai į veidrodį. Bangos nebūtinai laikysis šių nuspėjamų tiesių, siūlė Niutonas, todėl šviesą turi pernešti tam tikros mažos, be masės dalelės.
Problema ta, kad buvo vienodai įtikinamų įrodymų, kad šviesa yra banga. Vienas aiškiausių to įrodymų buvo 1801 m. Thomaso Youngo dvigubo plyšio eksperimentą iš esmės galima atlikti savarankiškai namuose.
Paimkite storo kartono lakštą ir atsargiai įpjaukite jame du plonus vertikalius pjūvius. Tada paimkite „nuoseklų“šviesos šaltinį, kuris skleis tik tam tikro bangos ilgio šviesą: lazeris yra gerai. Tada nukreipkite šviesą į du plyšius, kad, eidama pro juos, ji nukristų ant kito paviršiaus.
Antrame paviršiuje, kur šviesa prasiskverbė pro plyšius, galite pamatyti dvi ryškias vertikalias linijas. Bet kai Jungas atliko eksperimentą, jis pamatė šviesių ir tamsių linijų seką kaip brūkšninį kodą.
Kai šviesa praeina per plonus plyšius, ji elgiasi kaip vandens bangos, praeinančios per siaurą angą: jos išsisklaido ir plinta pusrutulio bangų pavidalu.
Kai ši šviesa praeina per du plyšius, kiekviena banga slopina kitą, susidaro tamsios dėmės. Kai bangelės susilieja, ji papildo ryškias vertikalias linijas. Youngo eksperimentas tiesiogine prasme patvirtino bangos modelį, todėl Maksvelis šią idėją pavertė tvirta matematine forma. Šviesa yra banga.
Bet tada įvyko kvantinė revoliucija
XIX amžiaus antroje pusėje fizikai bandė išsiaiškinti, kaip ir kodėl kai kurios medžiagos sugeria ir skleidžia elektromagnetinę spinduliuotę geriau nei kitos. Reikėtų pažymėti, kad tada elektros šviesos pramonė tik kūrėsi, todėl medžiagos, galinčios skleisti šviesą, buvo rimtas dalykas.
XIX amžiaus pabaigoje mokslininkai atrado, kad objekto skleidžiamos elektromagnetinės spinduliuotės kiekis kinta priklausomai nuo jo temperatūros, ir pamatavo šiuos pokyčius. Tačiau niekas nežinojo, kodėl taip atsitiko. 1900 m. Maxas Planckas išsprendė šią problemą. Jis nustatė, kad skaičiavimai gali paaiškinti šiuos pokyčius, tačiau tik tada, jei manysime, kad elektromagnetinė spinduliuotė perduodama mažomis atskiromis dalimis. Planckas juos pavadino „quanta“, lotyniško „quantum“daugiskaita. Po kelerių metų Einšteinas rėmėsi savo idėjomis ir paaiškino dar vieną stebėtiną eksperimentą.
Fizikai atrado, kad metalo gabalas teigiamai įkraunamas, kai jį apšviečia matoma arba ultravioletinė šviesa. Šis efektas buvo vadinamas fotoelektriniu.
Metale esantys atomai prarado neigiamai įkrautus elektronus. Akivaizdu, kad šviesa metalui tiekė pakankamai energijos, kad jis galėtų išlaisvinti dalį elektronų. Tačiau kodėl tai padarė elektronai, nebuvo aišku. Jie galėtų nešti daugiau energijos paprasčiausiai keisdami šviesos spalvą. Konkrečiai, violetine šviesa apšvitinto metalo išlaisvinti elektronai neša daugiau energijos nei elektronai, kuriuos išskiria raudona šviesa apšvitintas metalas.
Jei šviesa būtų tik banga, būtų juokinga
Paprastai jūs keičiate bangos energijos kiekį, padarydami jį didesnį - įsivaizduokite aukštą destruktyvios galios cunamį - ir ne ilgiau ar trumpiau. Kalbant plačiau, geriausias būdas padidinti energiją, kurią šviesa perduoda elektronams, yra padaryti šviesos bangą aukštesnę: tai yra padaryti šviesą ryškesne. Bangos ilgio, taigi ir šviesos, keitimas neturėjo daug ką pakeisti.
Einšteinas suprato, kad fotoelektrinį efektą lengviau suprasti, jei Plancko kvantų terminologijoje vaizduojate šviesą.
Jis pasiūlė, kad šviesa būtų nešama mažais kvantiniais gabalėliais. Kiekvienas kvantas neša atskiros energijos, susijusios su bangos ilgiu, dalį: kuo trumpesnis bangos ilgis, tuo tankesnė energija. Tai galėtų paaiškinti, kodėl palyginti trumpos violetinės šviesos bangos ilgio dalys perneša daugiau energijos nei palyginti ilgos raudonos šviesos dalys.
Tai taip pat paaiškintų, kodėl paprasčiausias šviesos ryškumo padidinimas iš tikrųjų neturi įtakos rezultatui.
Ryškesnė šviesa metalui tiekia daugiau šviesos dalių, tačiau tai nekeičia kiekvienos porcijos nešamos energijos kiekio. Apytiksliai tariant, viena violetinės šviesos dalis gali perkelti daugiau energijos į vieną elektroną nei daugelis raudonos šviesos dalių.
Einšteinas šias energijos dalis pavadino fotonais ir dabar yra pripažintas pagrindinėmis dalelėmis. Matomą šviesą perneša fotonai, taip pat perduodamos kitos elektromagnetinės spinduliuotės formos, tokios kaip rentgeno spinduliai, mikrobangų ir radijo bangos. Kitaip tariant, šviesa yra dalelė.
Tuo fizikai nusprendė užbaigti diskusijas apie tai, iš ko daroma šviesa. Abu modeliai buvo tokie įtikinami, kad nebuvo prasmės jo atsisakyti. Daugelio ne fizikų nuostabai mokslininkai nusprendė, kad šviesa vienu metu elgiasi kaip dalelė ir banga. Kitaip tariant, šviesa yra paradoksas.
Tuo pačiu metu fizikai neturėjo problemų dėl suskaidytos šviesos asmenybės. Tai tam tikru mastu padarė šviesą dvigubai naudingą. Šiandien, pasikliaudami šviestuvų darbu tiesiogine to žodžio prasme - Maksvelo ir Einšteino, mes viską išspaudžiame iš šviesos.
Pasirodo, kad lygtys, naudojamos šviesos bangoms ir šviesos dalelėms apibūdinti, veikia vienodai gerai, tačiau kai kuriais atvejais viena yra lengviau naudojama nei kita. Todėl fizikai persijungia tarp jų, panašiai kaip mes matuokliais apibūdiname savo ūgį, ir einame į kilometrus, apibūdindami dviračių žygį.
Kai kurie fizikai bando naudoti šviesą kurdami užkoduotus ryšio kanalus, pavyzdžiui, pinigų pervedimams. Jiems prasminga galvoti apie šviesą kaip apie daleles. Taip yra dėl keisto kvantinės fizikos pobūdžio. Dvi pagrindinės dalelės, pavyzdžiui, fotonų pora, gali būti „įpainiotos“. Tai reiškia, kad jos turės bendras savybes, kad ir kaip toli viena nuo kitos, todėl jas galima naudoti informacijai perduoti tarp dviejų Žemės taškų.
Kitas šio susipynimo bruožas yra tas, kad skaitant fotonų kvantinė būsena pasikeičia. Tai reiškia, kad jei kas nors bandys pasiklausyti užšifruoto kanalo, teoriškai jis iškart išduos savo buvimą.
Kiti, kaip ir Gulilmakis, elektronikoje naudoja šviesą. Jie mano, kad naudingiau vaizduoti šviesą kaip bangų seriją, kurią galima prisijaukinti ir valdyti. Šiuolaikiniai prietaisai, vadinami šviesos lauko sintezatoriais, gali puikiai sujungti šviesos bangas. Dėl to jie sukuria intensyvesnius, trumpalaikius ir kryptingesnius šviesos impulsus nei šviesa iš įprastos lempos.
Per pastaruosius 15 metų šie prietaisai išmoko naudoti iki galo prisijaukinant šviesą. 2004 m. Gulilmakis ir jo kolegos išmoko sukurti nepaprastai trumpus rentgeno impulsus. Kiekvienas pulsas truko tik 250 attosekundžių arba 250 kvintilijonų sekundžių.
Naudodami šiuos mažus impulsus kaip fotoaparato blykstę, jie sugebėjo užfiksuoti atskirų matomos šviesos bangų, kurios svyruoja daug lėčiau, vaizdus. Jie tiesiogine to žodžio prasme fotografavo judančią šviesą.
„Nuo pat Maksvelo žinojome, kad šviesa yra svyruojantis elektromagnetinis laukas, tačiau niekas net nemanė, kad galime fotografuoti svyruojančią šviesą“, - sako Gulilmakis.
Šių atskirų šviesos bangų stebėjimas buvo pirmasis žingsnis link manipuliuoti ir modifikuoti šviesą, sako jis, panašiai kaip mes keičiame radijo bangas, kad galėtume perduoti radijo ir televizijos signalus.
Prieš šimtą metų fotoelektrinis efektas parodė, kad matoma šviesa veikia metalo elektronus. Gulilmakis sako, kad turėtų būti įmanoma tiksliai valdyti šiuos elektronus, naudojant matomas šviesos bangas, modifikuotas sąveikauti su metalu gerai apibrėžtu būdu. "Mes galime manipuliuoti šviesa ir naudoti ją materijai manipuliuoti", - sako jis.
Tai gali pakeisti elektroniką, sukurti naujos kartos optinius kompiuterius, kurie yra mažesni ir greitesni nei mūsų. "Mes galime judinti elektronus, kaip norime, šviesos pagalba sukurdami elektrines sroves kietųjų medžiagų viduje, o ne taip, kaip įprastoje elektronikoje."
Štai dar vienas būdas apibūdinti šviesą: tai instrumentas
Tačiau nieko naujo. Gyvenimas naudoja šviesą nuo tada, kai pirmieji primityvūs organizmai sukūrė šviesai jautrius audinius. Žmonių akys užfiksuoja regimos šviesos fotonus, mes juos naudojame tyrinėdami aplinkinį pasaulį. Šiuolaikinės technologijos šią idėją žengia dar labiau. 2014 m. Nobelio chemijos premija buvo paskirta tyrėjams, sukūrusiems tokį galingą šviesos mikroskopą, kad jis buvo laikomas fiziškai neįmanomu. Paaiškėjo, kad jei pabandysime, šviesa gali mums parodyti tai, ko manėme niekada nematantys.