Ta on meie ümber ja võimaldab meil maailma näha. Kuid küsige kelleltki meist ja enamik ei suuda selgitada, mis see valgus tegelikult on. Valgus aitab meil mõista maailma, kus elame. Meie keel peegeldab seda: pimeduses liigume puudutades, hakkame koos koidiku algusega nägema valgust. Ja ometi pole me kaugeltki nii, et valgust täielikult mõistame. Kui lähete valguskiire lähemale, siis mida see sisaldab? Jah, valgus liigub uskumatult kiiresti, kuid kas seda ei saa reisimiseks kasutada? Ja nii edasi.
See ei tohiks muidugi nii olla. Valgus on sajandeid hämmastanud parimat meelt, kuid viimase 150 aasta tähelepanuväärsed avastused on selle müsteeriumi üle järk-järgult saladuse loori kergitanud. Nüüd saame enam-vähem aru, mis see on.
Meie aja füüsikud ei mõista mitte ainult valguse olemust, vaid püüavad seda ka enneolematu täpsusega kontrollida - see tähendab, et valgus saab väga varsti tööle panna kõige hämmastavamal viisil. Sel põhjusel on ÜRO kuulutanud 2015. aasta rahvusvaheliseks valguse aastaks.
Valgust saab kirjeldada kõikvõimalikel viisidel. Kuid sellega tasub alustada: valgus on kiirguse (kiirguse) vorm. Ja see võrdlus on mõistlik. Me teame, et liigne päikesevalgus võib põhjustada nahavähki. Samuti teame, et kokkupuude kiirgusega võib teid ohustada vähivormide suhtes; paralleele tõmmata pole keeruline.
Kuid mitte kõik kiirguse vormid ei ole võrdsed. 19. sajandi lõpus suutsid teadlased kindlaks määrata valguskiirguse täpse olemuse. Ja kõige kummalisem on see, et see avastus ei tulnud valguse uurimisest, vaid tuli aastakümneid kestnud tööst elektri ja magnetismi loomisel.
Elekter ja magnetism näivad olevat täiesti erinevad asjad. Kuid sellised teadlased nagu Hans Christian Oersted ja Michael Faraday on leidnud, et nad on omavahel sügavalt põimunud. Oersted avastas, et traati läbiv elektrivool paindab magnetkompassi nõela. Vahepeal avastas Faraday, et magneti juhtme lähedal liikumine võib juhtmes tekitada elektrivoolu.
Selle päeva matemaatikud kasutasid nende vaatluste abil teooriat, mis kirjeldas seda kummalist uut nähtust, mida nad nimetasid "elektromagnetismiks". Kuid täielikku pilti suutis kirjeldada ainult James Clerk Maxwell.
Maxwelli panust teadusse saab vaevalt üle hinnata. Maxwellist inspireeritud Albert Einstein ütles, et muutis maailma igaveseks. Muuhulgas aitasid tema arvutused mõista, mis on valgus.
Reklaamvideo:
Maxwell näitas, et elektri- ja magnetväljad liiguvad lainetena ning need lained liiguvad valguskiirusel. See võimaldas Maxwellil ennustada, et valgust ise kannavad elektromagnetlained - see tähendab, et valgus on elektromagnetilise kiirguse vorm.
1880. aastate lõpus, mitu aastat pärast Maxwelli surma, näitas Saksa füüsik Heinrich Hertz esimesena ametlikult, et Maxwelli teoreetiline kontseptsioon elektromagnetlainest on õige.
"Olen kindel, et kui Maxwell ja Hertz elaksid Nobeli preemia ajastul, saaksid nad selle kindlasti," ütleb Graham Hall Suurbritannia Aberdeeni ülikoolist - kus Maxwell töötas 1850. aastate lõpus.
Maxwell kuulub valgusteaduse aastaraamatutesse hoopis teisel, praktilisemal põhjusel. 1861. aastal avalikustas ta kolmevärvilise filtrisüsteemi abil esimese stabiilse värvifoto, mis pani aluse paljudele värvifotode vormidele tänapäeval.
Juba lause, et valgus on elektromagnetilise kiirguse vorm, ei ütle palju. Kuid see aitab kirjeldada seda, mida me kõik mõistame: valgus on värvide spekter. See tähelepanek ulatub tagasi Isaac Newtoni loomingu juurde. Värvispektrit näeme kogu oma hiilguses, kui taevas tõuseb vikerkaar - ja need värvid on otseselt seotud Maxwelli elektromagnetlainete kontseptsiooniga.
Vikerkaare ühes otsas olev punane tuli on elektromagnetkiirgus lainepikkusega 620–750 nanomeetrit; violetne värv teises otsas on kiirgus lainepikkusega 380 kuni 450 nm. Kuid elektromagnetkiirgus on rohkem kui nähtavad värvid. Valgus, mille lainepikkus on pikem kui punane, on see, mida me nimetame infrapunaks. Valgust, mille lainepikkus on violetsest lühem, nimetatakse ultraviolettiks. Paljud loomad näevad ultraviolettvalguses ja mõned inimesed näevad ka seda, ütleb Eleftherios Gulilmakis Saksamaalt Garchingi Max Plancki kvantoptika instituudist. Mõnel juhul näevad inimesed isegi infrapuna. Võib-olla sellepärast ei üllata meid, et nimetame ultraviolett- ja infrapunavalguse vorme.
Kummaline on see, et kui lainepikkused veelgi lühemaks või pikemaks muutuvad, lõpetame nende nimetamise "valguseks". Väljaspool ultraviolettkiirgust võivad elektromagnetlained olla lühemad kui 100 nm. See on röntgenkiirte ja gammakiirte valdkond. Kas olete kunagi kuulnud röntgenikiirte nimetamisest valgusvormiks?
"Teadlane ei ütle:" Ma paistan objektist läbi röntgenkiirgusega. " Ta ütleb: "Ma kasutan röntgenikiirgust," ütleb Gulilmakis.
Vahepeal ulatuvad infrapuna- ja elektromagnetiliste lainepikkuste taga lained kuni 1 cm ja isegi kuni tuhandeid kilomeetreid. Selliseid elektromagnetlaineid nimetatakse mikrolaineteks või raadiolaineteks. Mõne jaoks võib tunduda kummaline tajuda raadiolaineid valgusena.
"Raadiolainete ja nähtava valguse vahel pole füüsikalises mõttes suurt füüsilist erinevust," ütleb Gulilmakis. "Kirjeldate neid samade võrrandite ja matemaatikaga." Ainult meie igapäevane tunnetus eristab neid.
Seega saame valguse teistsuguse määratluse. See on väga kitsas elektromagnetkiirguse vahemik, mida meie silmad näevad. Teisisõnu, valgus on subjektiivne silt, mida kasutame ainult meeli piiratuse tõttu.
Kui soovite üksikasjalikumaid tõendeid selle kohta, kui subjektiivne on meie värvitaju, mõelge vikerkaarele. Enamik inimesi teab, et valgusspekter sisaldab seitset põhivärvi: punane, oranž, kollane, roheline, tsüaan, sinine ja violetne. Meil on isegi käepärased vanasõnad ja ütlused jahimeeste kohta, kes tahavad teada, kus faasan asub. Vaadake kena vikerkaart ja proovige näha kõiki seitset. Isegi Newtonil see ei õnnestunud. Teadlased kahtlustavad, et teadlane jagas vikerkaare seitsmeks värviks, kuna number "seitse" oli antiikmaailma jaoks väga oluline: seitse nooti, seitse nädalapäeva jne.
Maxwelli töö elektromagnetismi alal viis meid sammu edasi ja näitas, et nähtav valgus oli osa laiast kiirgusspektrist. Selgus ka valguse tõeline olemus. Sajandeid on teadlased püüdnud mõista, millise kuju valgus tegelikult põhimõttelisel skaalal omandab, liikudes valgusallikast meie silmadesse.
Mõned uskusid, et valgus liigub lainete või lainetena õhu või salapärase "eetri" kaudu. Teiste arvates oli see lainemudel vigane ja pidasid valgust pisikeste osakeste vooguks. Newton kaldus teise arvamuse poole, eriti pärast mitmeid katseid, mida ta valguse ja peeglitega läbi viis.
Ta mõistis, et valguskiired järgivad rangeid geomeetrilisi reegleid. Peeglist peegelduv valguskiir käitub nagu otse peeglisse visatud pall. Lained ei pruugi tingimata järgida neid prognoositavaid sirgjooni, soovitas Newton, nii et valgust peavad kandma mingid pisikesed, massita osakesed.
Probleem on selles, et on olnud sama veenvaid tõendeid selle kohta, et valgus on laine. Selle üks selgemaid demonstratsioone oli 1801. aastal. Thomas Youngi kahekordse piluga katset saab põhimõtteliselt teha kodus iseseisvalt.
Võtke leht paksust papist ja lõigake sellesse ettevaatlikult kaks õhukest vertikaalset lõiget. Seejärel võtke "koherentne" valgusallikas, mis kiirgab ainult teatud lainepikkusega valgust: laser on korras. Seejärel suunake valgus kahele pilule nii, et see läbimisel langeks teisele pinnale.
Te arvate, et teisel pinnal, kus valgus on piludest läbi käinud, näete kaht erksat vertikaalset joont. Kuid kui Jung katse tegi, nägi ta heledate ja tumedate joonte jada nagu vöötkood.
Kui valgus läbib õhukesi pilusid, käitub see nagu kitsast avausest mööduvad veelained: need hajuvad ja levivad poolkerakujuliste lainetena.
Kui see valgus läbib kahte pilu, kustutab kumbki laine teise, moodustades tumedad laigud. Kui lainetused lähenevad, moodustub see erksate vertikaalsete joontena. Youngi eksperiment kinnitas laine mudelit sõna otseses mõttes, nii et Maxwell viis idee kindlasse matemaatilisse vormi. Valgus on laine.
Kuid siis toimus kvantrevolutsioon
Üheksateistkümnenda sajandi teisel poolel püüdsid füüsikud välja mõelda, kuidas ja miks mõned materjalid neelavad ja kiirgavad elektromagnetilist kiirgust paremini kui teised. Väärib märkimist, et elektriline kergetööstus oli alles siis arenemas, seega olid valgust kiirgavad materjalid tõsine asi.
Üheksateistkümnenda sajandi lõpu poole avastasid teadlased, et objekti kiiratava elektromagnetkiirguse hulk muutub koos selle temperatuuriga ja mõõtsid neid muutusi. Kuid keegi ei teadnud, miks see juhtub. 1900. aastal lahendas selle probleemi Max Planck. Ta leidis, et arvutused võivad neid muutusi selgitada, kuid ainult siis, kui eeldame, et elektromagnetkiirgust edastatakse väikestes diskreetsetes osades. Planck nimetas neid "kvantideks", ladina keeles "kvant" mitmuses. Mõni aasta hiljem võttis Einstein oma ideed aluseks ja selgitas veel üht üllatavat katset.
Füüsikud on avastanud, et metallitükk saab positiivse laengu, kui seda kiiritatakse nähtava või ultraviolettvalgusega. Seda efekti on nimetatud fotogalvaaniliseks.
Metalli aatomid kaotasid negatiivselt laetud elektrone. Ilmselt andis valgus metallile piisavalt energiat, et see vabastaks osa elektronidest. Kuid miks elektronid seda tegid, polnud selge. Nad saaksid kanda rohkem energiat lihtsalt valguse värvi muutmisega. Eelkõige kannavad violetse valgusega kiiritatud metalli vabastatud elektronid rohkem energiat kui punase valgusega kiiritatud metall.
Kui valgus oleks vaid laine, oleks see naeruväärne
Tavaliselt muudate laines oleva energia hulka, muutes selle suuremaks - kujutage ette suurt hävitava jõu tsunamit - ja mitte pikemat ega lühemat. Laiemalt öeldes on parim viis valguse elektronidele ülekandmise suurendamiseks valguslaine kõrgemaks muutmine: see tähendab valguse heledamaks muutmine. Lainepikkuse ja seega ka valguse muutmine poleks pidanud palju muutma.
Einstein mõistis, et fotoelektrilist efekti on lihtsam mõista, kui esindate valgust Plancki kvantide terminoloogias.
Ta soovitas, et valgust kannaksid pisikesed kvantitükid. Iga kvant kannab osa lainepikkusega seotud diskreetsest energiast: mida lühem on lainepikkus, seda tihedam on energia. See võib seletada, miks kannavad violetse valguse suhteliselt lühikesed lainepikkused osad rohkem energiat kui punase valguse suhteliselt pikad osad.
See selgitaks ka seda, miks valguse heleduse suurendamine lihtsalt tulemust ei mõjuta.
Heledam valgus edastab metallile rohkem valguse osi, kuid see ei muuda iga portsjoni poolt kantavat energia hulka. Jämedalt öeldes võib üks osa violetset valgust kanda ühele elektronile rohkem energiat kui paljud punase valguse osad.
Einstein nimetas neid energiatoonide osi footoniteks ja on nüüdseks tunnustatud põhiosakestena. Nähtavat valgust kannavad footonid, samuti kanduvad muud elektromagnetkiirguse vormid, nagu röntgen, mikrolaineahi ja raadiolained. Teisisõnu, valgus on osake.
Sellega otsustasid füüsikud lõpetada arutelu selle üle, millest valgus koosneb. Mõlemad mudelid olid nii veenvad, et polnud mõtet ühest loobuda. Paljude mittefüüsikute üllatuseks on teadlased otsustanud, et valgus käitub üheaegselt nii osakese kui ka lainena. Teisisõnu, valgus on paradoks.
Samal ajal ei olnud füüsikutel probleeme valguse lõhenenud isiksusega. See tegi mingil määral valguse kahekordselt kasulikuks. Täna pigistame valgustite tööle sõna otseses tähenduses - Maxwell ja Einstein - kõik valguse eest välja.
Selgub, et valguslaine ja valgusosakeste kirjeldamiseks kasutatud võrrandid töötavad võrdselt hästi, kuid mõnel juhul on ühte neist lihtsam kasutada kui teist. Seetõttu vahetavad füüsikud nende vahel, umbes nagu me kasutame oma pikkuse kirjeldamiseks meetreid, ja läheme kilomeetritele, kirjeldades rattasõitu.
Mõned füüsikud üritavad valgust kasutada krüptitud sidekanalite loomiseks, näiteks rahaülekannete jaoks. Neil on mõttekas mõelda valgusest kui osakestest. See on tingitud kvantfüüsika kummalisest olemusest. Kaks põhiosakest, nagu paar footoneid, võivad olla “takerdunud”. See tähendab, et neil on ühised omadused ükskõik kui kaugel üksteisest, nii et neid saab kasutada teabe edastamiseks kahe Maa punkti vahel.
Selle takerdumise teine eripära on see, et footonite kvantolek muutub lugemisel. See tähendab, et kui keegi üritab krüpteeritud kanalit pealt kuulata, reetab ta teoreetiliselt kohe oma kohaloleku.
Teised, näiteks Gulilmakis, kasutavad valgust elektroonikas. Nende arvates on valgust kasulikum kujutada lainete reana, mida saab taltsutada ja kontrollida. Kaasaegsed seadmed, mida nimetatakse valgusväljasüntesaatoriteks, võivad valguslained üksteisega täiuslikus sünkroonis kokku viia. Selle tulemusena tekitavad nad valgusimpulsse, mis on tavalisest lambist intensiivsemad, lühiajalisemad ja suunatumad.
Viimase 15 aasta jooksul on neid seadmeid õppinud valguse taltsutamiseks äärmisel määral. 2004. aastal õppisid Gulilmakis ja tema kolleegid uskumatult lühikeste röntgenimpulsside tekitamist. Iga pulss kestis vaid 250 attosekundit ehk 250 kvintiljonit sekundit.
Kasutades neid pisikesi impulsse nagu kaamera välklampi, suutsid nad jäädvustada pilte üksikute nähtava valguse lainetest, mis võnkuvad palju aeglasemalt. Nad pildistasid sõna otseses mõttes liikuvat valgust.
"Juba Maxwelli ajast saati teadsime, et valgus on võnkuv elektromagnetväli, kuid keegi isegi ei mõelnud, et võime võnkuvat valgust pildistada," ütleb Gulilmakis.
Nende üksikute valguslainete vaatlemine oli tema sõnul esimene samm valguse manipuleerimise ja modifitseerimise suunas, umbes nagu me muudaksime raadiolaineid raadio- ja telesignaalide kandmiseks.
Sada aastat tagasi näitas fotoelektriline efekt, et nähtav valgus mõjutab metalli elektrone. Gulilmakis ütleb, et neid elektrone peaks olema võimalik täpselt juhtida, kasutades nähtavaid valguslaineid, mis on modifitseeritud metalliga täpselt määratletud viisil suhtlemiseks. "Me võime valgusega manipuleerida ja seda kasutada ainega manipuleerimiseks," ütleb ta.
See võib muuta elektroonikat murranguliseks, viia uue põlvkonna optiliste arvutiteni, mis on meie omast väiksemad ja kiiremad. "Elektrone saame liikuda oma äranägemise järgi, tekitades valguse abil tahkete ainete sisse elektrivoolusid ja mitte nagu tavalises elektroonikas."
Siin on veel üks viis valguse kirjeldamiseks: see on instrument
Siiski pole midagi uut. Elu on valgust kasutanud sellest ajast, kui esimesed ürgsed organismid arendasid valgustundlikke kudesid. Inimeste silmad haaravad nähtava valguse footoneid, me kasutame neid ümbritseva maailma uurimiseks. Kaasaegne tehnoloogia viib selle idee veelgi kaugemale. 2014. aastal anti Nobeli keemiaauhind teadlastele, kes ehitasid nii võimsa valgusmikroskoobi, et seda peeti füüsiliselt võimatuks. Selgus, et kui proovime, võib valgus näidata meile asju, mida arvasime, et ei näe kunagi.
