общ, изследване, технология

Да видим: какво е светлината?

Той е около нас и ни позволява да видим света. Но попитайте някой от нас и повечето няма да могат да обяснят какво всъщност представлява тази светлина. Светлината ни помага да разберем света, в който живеем. Този език отразява нашия език: в тъмнината се движим на допир, започваме да виждаме светлина с настъпването на зората. И все пак ние сме далеч от пълно разбиране на света. Ако донесете лъч светлина по-близо, какво ще бъде в него? Да, светлината се движи невероятно бързо, но не може ли да се използва за пътуване? И така нататък и така нататък.


Но не всички форми на радиация са еднакви. В края на 19 век учените успяват да определят точната същност на светлинното излъчване. И най-странното е, че това откритие не дойде в процеса на изучаване на светлината, а излезе от десетилетия работа върху природата на електричеството и магнетизма.

Електричеството и магнетизмът изглеждат перфектниразлични неща. Но учени като Ханс Кристиан Ерстед и Майкъл Фарадей са открили, че те са дълбоко преплетени. Oersted установи, че електрическият ток, преминаващ през жицата, отклонява иглата на магнитния компас. Междувременно Фарадей откри, че придвижването на магнит близо до жица може да генерира електрически ток в жицата.

Математиците от онзи ден използваха тези наблюденияда се създаде теория, която описва това странно ново явление, което те нарекоха "електромагнетизъм". Но само Джеймс Клерк Максуел можеше да опише цялата картина.

Трудно е да се надцени приноса на Максуел в науката. Алберт Айнщайн, вдъхновен от Максуел, каза, че промени света завинаги. Освен всичко друго, неговите изчисления ни помогнаха да разберем какво е светлината.

Самата фраза, че светлината е формаелектромагнитното излъчване не казва много. Но помага да се опише това, което всички разбираме: светлината е спектър от цветове. Това наблюдение датира от работата на Исак Нютон. Виждаме цветовия спектър във цялата си слава, когато в небето се издига дъга - и тези цветове са пряко свързани с концепцията на Максуел за електромагнитните вълни.

Червената светлина в единия край на дъгата еелектромагнитно 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 има повече за електромагнитното излъчване, отколкото за видимите цветове. Светлина с дължина на вълната по-дълга от червената, която наричаме инфрачервена. Светлината с дължина на вълната, по-къса от лилавата, се нарича ултравиолетова. Много животни могат да видят в ултравиолетовия свят, някои хора също, казва Елефтериос Гулилмакис от Института за квантова оптика „Макс Планк“ в Гарчинг, Германия. В някои случаи хората виждат дори инфрачервено. Може би затова не ни изненадва, че наричаме ултравиолетова и инфрачервена форма на светлина.

Любопитно е обаче, ако дължините на вълните станатдори по-къси или по-дълги, спираме да ги наричаме „леки“. Извън ултравиолетовите електромагнитни вълни могат да бъдат по-къси от 100 nm. Това е царството на рентгеновите лъчи и гама лъчите. Чували ли сте някога рентгеновите лъчи да се наричат ​​формата на светлината?

Работата на Максуел в областта на електромагнетизмаповеде ни по-нататък и показа, че видимата светлина е част от широк спектър на излъчване. Истинската природа на светлината също стана ясна. От векове учените се опитват да разберат каква форма всъщност светлината придобива фундаментален мащаб, докато се движи от източник на светлина към очите ни.

Някои вярвали, че светлината се движи под формата на вълни.или пулсации, през въздуха или мистериозния "етер". Други смятат, че този вълнов модел е погрешен и смятат, че светлината е поток от малки частици. Нютон беше склонен към второ мнение, особено след поредица от експерименти, които провеждаше със светлина и огледала.

Когато светлината преминава през тънки прорези, тя се държи като водни вълни, които преминават през тясна дупка: те се разпръскват и разпространяват под формата на полусферична пулсация.

Когато тази светлина преминава през две процепи, всякавълната гаси друга, образувайки тъмни петна. Когато пулсациите се сближават, той се допълва, образувайки ярки вертикални линии. Експериментът на Юнг буквално потвърди вълновия модел, така че Максуел постави тази идея в солидна математическа форма. Светлината е вълна.

Обикновено променяте количеството енергия в една вълна,повишавайки го - представете си високо цунами с разрушителна сила - и не по-дълго или по-кратко. В по-широк смисъл най-добрият начин да увеличите енергията, която светлината предава на електроните, е да направите вълната на светлината по-висока: тоест да направите светлината по-ярка. Промяната на дължината на вълната, а оттам и светлината, не би трябвало да има голяма промяна.

Айнщайн осъзнал, че фотоелектричният ефект е по-лесен за разбиране, ако си представите светлина в терминологията на кванта на Планк.

Той предположи, че светлината се носи от миниатюрниквантови порции. 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 части от виолетова светлина със сравнително къса дължина на вълната носят повече енергия, отколкото части от червена светлина със сравнително голяма дължина на вълната.

Това също би обяснило защо обикновено увеличаване на яркостта на светлината всъщност не влияе на резултата.

Светлината по-ярка доставя повече порции светлинаметал, но това не променя количеството енергия, носено от всяка порция. Грубо казано, една порция виолетова светлина може да прехвърли повече енергия на един електрон, отколкото много порции червена светлина.

Айнщайн нарича тези части енергийни фотони и всега са признати за основни частици. Видимата светлина се транспортира от фотони и други видове електромагнитно излъчване като рентгенова, микровълнова и радиовълнова - също. С други думи, светлината е частица.

Гледайки тези отделни светлинни вълниТой беше първата стъпка към контролирането и промяната на светлината, казва той, точно както ние сменяме радиовълните, за да пренасяме радио и телевизионни сигнали.

Преди сто години фотоелектричният ефект показаче видимата светлина влияе на електроните в метал. Гулилмакис казва, че трябва да бъде възможно точно да се контролират тези електрони, използвайки видими светлинни вълни, модифицирани по такъв начин, че да взаимодействат с метала по добре дефиниран начин. "Можем да контролираме светлината и да я използваме за контрол на материята", казва той.

Може да революционизира електрониката,водят до ново поколение оптични компютри, които ще бъдат по-малки и по-бързи от нашите. „Ще можем да движим електрони, както пожелаем, създавайки електрически токове вътре в твърди частици с помощта на светлина, а не като в обикновената електроника.“

Ето още един начин за описание на светлината: това е инструмент.

Нищо ново. Животът използва светлина откакто първите примитивни организми са разработили фоточувствителни тъкани. Очите на хората са уловени от фотони видима светлина, ние ги използваме за изучаване на света около нас. Съвременните технологии отнемат още повече тази идея. През 2014 г. Нобеловата награда за химия бе присъдена на изследователи, които изградиха толкова мощен светлинен микроскоп, че той се смяташе за физически невъзможен. Оказа се, че ако опитате, светлината може да ни покаже неща, които сме мислили, че никога няма да видим.