opći, istraživanje, tehnologija

Da vidimo: što je svjetlost?

On je oko nas i omogućava nam da vidimo svijet. Ali pitajte bilo koga od nas i većina neće moći objasniti što je to svjetlo. Svjetlost nam pomaže razumjeti svijet u kojem živimo. Taj jezik odražava naš jezik: u tami se krećemo u dodir, s početkom zore počinjemo ugledati svjetlost. A ipak smo daleko od cjelovitog razumijevanja svijeta. Ako približite zraku svjetlosti, što će biti u njoj? Da, svjetlo se kreće nevjerojatno brzo, ali zar se ne može koristiti za putovanja? I tako dalje i tako dalje.


Ali nisu svi oblici zračenja isti. Krajem 19. stoljeća znanstvenici su mogli utvrditi točnu suštinu svjetlosnog zračenja. I što je najčudnije, ovo otkriće nije došlo u procesu proučavanja svjetla, već je nastalo desetljećima rada na prirodi električne energije i magnetizma.

Električna energija i magnetizam djeluju savršenorazličite stvari. Ali znanstvenici poput Hans Christiana Oersteda i Michaela Faradaya otkrili su da su oni duboko povezani. Oersted je otkrio da je električna struja koja prolazi kroz žicu odbila iglu magnetskog kompasa. U međuvremenu, Faraday je otkrio da pomicanje magneta u blizini žice može stvoriti električnu struju u žici.

Matematičari toga dana koristili su ta promatranjastvoriti teoriju koja opisuje taj neobičan novi fenomen, koji su nazvali "elektromagnetizam". Ali samo je James Clerk Maxwell mogao opisati cijelu sliku.

Teško je precijeniti Maxwell-ov doprinos znanosti. Albert Einstein, kojeg je nadahnuo Maxwell, rekao je da je zauvijek promijenio svijet. Između ostalog, njegovi su nam proračuni pomogli da shvatimo što je svjetlost.

Sama fraza koja svjetlost je oblikaelektromagnetsko zračenje ne govori mnogo. Ali pomaže nam opisati ono što svi razumijemo: svjetlost je spektar boja. Ovo promatranje datira iz djela Isaaca Newtona. Spektar boja vidimo u svom svom sjaju kada se na nebu diže duga, a te su boje izravno povezane s Maxwellovim konceptom elektromagnetskih valova.

Crveno svjetlo na jednom kraju duge jeelektromagnetsko zračenje valne duljine od 620 do 750 nanometara; ljubičasta boja na drugom kraju je zračenje valne duljine od 380 do 450 nm. Ali postoji više od elektromagnetskog zračenja nego od vidljivih boja. Svjetlost valne duljine duža od crvene nazivamo infracrvenom. Svjetlost valne duljine kraće od ljubičaste naziva se ultraljubičasto. Mnoge se životinje mogu vidjeti u ultraljubičastoj, neke ljudi, kaže Eleftherios Gulilmakis iz Instituta Max Planck za kvantnu optiku u Garchingu u Njemačkoj. U nekim slučajevima ljudi vide čak i infracrvenu vezu. Možda nas zato ne iznenađuje što nazivamo ultraljubičastim i infracrvenim oblicima svjetlosti.

Zanimljivo je, međutim, ako postanu valne duljinejoš kraće ili duže, prestajemo ih nazivati ​​"laganima". Izvan ultraljubičastoga, elektromagnetski valovi mogu biti kraći od 100 nm. Ovo je područje x-zraka i gama zraka. Jeste li ikada čuli da se rendgenski zraci nazivaju oblik svjetlosti?

Maxwellov rad na polju elektromagnetizmavodio nas je dalje i pokazao da je vidljiva svjetlost dio širokog spektra zračenja. Prava priroda svjetla također je postala jasna. Znanstvenici već stoljećima pokušavaju shvatiti koji oblik svjetlosti zapravo poprima fundamentalnu ljestvicu dok se kreće od izvora svjetlosti do naših očiju.

Neki su vjerovali da se svjetlost kreće u obliku valova.ili pukotine, kroz zrak ili tajanstveni "eter". Drugi su smatrali da je ovaj valni model pogrešan, te su smatrali da je svjetlost strujanje sitnih čestica. Newton je bio sklon drugom mišljenju, posebno nakon niza eksperimenata koje je provodio sa svjetlom i ogledalima.

Kad svjetlost prolazi kroz tanke proreze, ponaša se poput vodenih valova koji prolaze kroz usku rupu: raspršuju se i šire u obliku hemisfere.

Kad ovo svjetlo prođe kroz dvije proreze, svakaval gasi drugu, tvoreći tamne mrlje. Kada se valovi zbliže, nadopunjuju se, tvoreći svijetle okomite linije. Jung-ov eksperiment je doslovno potvrdio valni model, tako da je Maxwell ovu ideju stavio u čvrstu matematičku formu. Svjetlost je val.

Obično u valu mijenjate količinu energije,čineći ga višim - zamislite visoki tsunami razorne moći - i ne duže ili kraće. U širem smislu, najbolji način za povećanje energije koju svjetlost prenosi na elektrone jest povećati val svjetlosti: to jest učiniti svjetlost svjetlijom. Promjena valne duljine, a samim tim i svjetlost, ne bi trebala mnogo značiti.

Einstein je shvatio da je fotoelektrični efekt lakše razumjeti ako zamislite svjetlo u terminologiji Planck kvantne.

Predložio je da svjetlost nosi sićušnokvantne porcije. Svaki kvant nosi dio diskretne energije povezane s valnom duljinom: što je kraća valna duljina, gušća je energija. To bi moglo objasniti zašto dijelovi ljubičaste svjetlosti s relativno kratkom valnom duljinom nose više energije od dijelova crvene svjetlosti s relativno velikom valnom duljinom.

To bi također objasnilo zašto jednostavno povećanje svjetline ne utječe na rezultat.

Svjetlije svjetlo pruža više dijelova svjetlostimetala, ali to ne mijenja količinu energije koju nosi svaki dio. Grubo govoreći, jedna porcija ljubičaste svjetlosti može prenijeti više energije na jedan elektron nego mnoge porcije crvene svjetlosti.

Einstein je ove dijelove energetskih fotona nazvao i unutrasada su prepoznate kao temeljne čestice. Vidljivu svjetlost prenose fotoni, ali i druge vrste elektromagnetskog zračenja poput rendgenskih, mikrovalnih i radio valova. Drugim riječima, svjetlost je čestica.

Gledajući ove pojedinačne valove svjetlostiBio je to prvi korak prema kontroli i promjeni svjetlosti, kaže, baš kao što mijenjamo radio valove za prijenos radio i televizijskih signala.

Prije stotinu godina pokazao se fotoelektrični učinakda vidljiva svjetlost utječe na elektrone u metalu. Gulilmakis kaže da bi trebalo biti moguće precizno kontrolirati te elektrone pomoću valova vidljive svjetlosti modificiranih na takav način da interakcijom s metalom djeluju na dobro definiran način. "Mi možemo kontrolirati svjetlost i koristiti ga za kontrolu materije", kaže on.

Može revolucionirati elektroniku,dovode do nove generacije optičkih računala koja će biti manja i brža od našeg. "Mi možemo kretati elektrone kako god želimo, stvarajući električne struje unutar krutih tvari uz pomoć svjetlosti, a ne kao u uobičajenoj elektronici."

Evo još jednog načina za opisivanje svjetla: to je alat.

Međutim, ništa novo. Život je koristio svjetlo još od kada su prvi primitivni organizmi razvili fotoosjetljiva tkiva. Oči ljudi zahvaćaju fotone vidljive svjetlosti, mi ih koristimo za proučavanje svijeta oko nas. Moderna tehnologija vodi ovu ideju još dalje. 2014. godine Nobelova nagrada za kemiju dodijeljena je istraživačima koji su izgradili tako moćan svjetlosni mikroskop da se to smatralo fizički nemogućim. Pokazalo se da ako pokušate, svjetlost nam može pokazati stvari za koje smo mislili da ih nikada nećemo vidjeti.