Давайте розберемося: що ж таке світло?

Він навколо нас і дозволяє нам бачити світ. Але запитайте будь-якого з нас, і більшість не зможе пояснити, що таке насправді цей світ. Світло допомагає нам розуміти світ, в якому ми живемо. Наша мова це відображає: в темряві ми пересуваємося на дотик, світло ми починаємо бачити разом з настанням зорі. І все ж ми далекі від повного розуміння світла. Якщо ви наблизити промінь світла, що в ньому буде? Так, світло рухається неймовірно швидко, але хіба його можна застосувати для подорожей? І так далі і тому подібне.

Але не всі форми випромінювання однакові. В кінці 19 століття вчені змогли визначити точну суть світлового випромінювання. І що найдивніше, це відкриття прийшло не в процесі вивчення світла, а вийшло з десятиліть роботи над природою електрики і магнетизму.

Електрика і магнетизм здаються абсолютнорізними речами. Але вчені начебто Ганса Християна Ерстеда і Майкла Фарадея встановили, що ті глибоко переплітаються. Ерстед виявив, що електричний струм, що проходить через провід, відхиляє голку магнітного компаса. Тим часом, Фарадей виявив, що переміщення магніту поблизу проводу може генерувати електричний струм в проводі.

Математики того дня використовували ці спостереженнядля створення теорії, що описує це дивне нове явище, яке вони назвали «електромагнетизм». Але тільки Джеймс Клерк Максвелл зміг описати повну картину.

Внесок Максвелла в науку складно переоцінити. Альберт Ейнштейн, який надихався Максвеллом, говорив, що той змінив світ назавжди. Серед інших речей, його обчислення допомогли нам зрозуміти, що таке світло.

Сама фраза про те, що світло є формоюелектромагнітного випромінювання, багато чого не говорить. Але допомагає описати те, що ми все розуміємо: світло - це спектр кольорів. Це спостереження сходить ще до робіт Ісаака Ньютона. Ми бачимо колірний спектр у всій його красі, коли веселка сходить на небі - і ці кольори безпосередньо пов'язані з максвелловським поняттям електромагнітних хвиль.

Червоне світло на одному кінці веселки - цеелектромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 620 до 750 нанометрів; фіолетовий колір на іншому кінці - випромінювання з довжиною хвилі від 380 до 450 нм. Але в електромагнітному випромінюванні є і більше, ніж видимі кольору. Світло з довжиною хвилі довше червоного ми називаємо інфрачервоним. Світло з довжиною хвилі коротше фіолетового називаємо ультрафіолетовим. Багато тварин можуть бачити в ультрафіолетовому, деякі люди теж, каже Елефтеріос Гулільмакіс з Інституту квантової оптики Макса Планка в Гархинге, Німеччина. У деяких випадках люди бачать навіть інфрачервоний. Можливо, тому нас не дивує, що ультрафіолетовий і інфрачервоний ми називаємо формами світла.

Цікаво, однак, що якщо довжини хвиль стаютьще коротше або довше, ми перестаємо називати їх «світлом». За межами ультрафіолетового, електромагнітні хвилі можуть бути коротше 100 нм. Це царство рентгенівських і гамма-променів. Ви коли-небудь чули, щоб рентгенівські промені називали формою світла?

Робота Максвелла в області електромагнетизмузавела нас далі і показала, що видиме світло був частиною широкого спектра радіації. Також стала зрозуміла справжня природа світла. Протягом століть вчені намагалися зрозуміти, яку насправді форму приймає світло на фундаментальних масштабах, поки рухається від джерела світла до наших очей.

Деякі вважали, що світло рухається в формі хвильабо ряби, через повітря або загадковий «ефір». Інші думали, що ця хвильова модель хибна, і вважали світло потоком крихітних часток. Ньютон схилявся до другого думку, особливо після серії експериментів, які він провів зі світлом і дзеркалами.

Коли світло проходить через тонкі щілини, він поводиться подібно водяним хвилях, які проходять через вузький отвір: вони розсіюються і поширюються в формі напівсферичної ряби.

Коли цей світ проходить через дві щілини, кожнахвиля гасить іншу, утворюючи темні ділянки. Коли ж брижі сходиться, вона доповнюється, утворюючи яскраві вертикальні лінії. Експеримент Юнга буквально підтвердив хвильову модель, тому Максвелл наділив цю ідею в тверду математичну форму. Світло - це хвиля.

Зазвичай ви змінюєте кількість енергії в хвилі,роблячи її вище - уявіть собі високу цунамі руйнівної сили - а не довший або коротший. У більш широкому сенсі, кращий спосіб збільшити енергію, яку світло передає електрони, це зробити хвилю світла вище: тобто зробити світ яскравішим. Зміна довжини хвилі, а значить і світла, не повинно було нести особливої ​​різниці.

Ейнштейн зрозумів, що фотоелектричний ефект простіше зрозуміти, якщо уявити світло в термінології планківських квантів.

Він припустив, що світло переноситься крихітнимиквантовими порціями. Кожен квант переносить порцію дискретної енергії, пов'язаної з довжиною хвилі: чим коротше довжина хвилі, тим щільніше енергія. Це могло б пояснити, чому порції фіолетового світла з відносно короткою довжиною хвилі переносять більше енергії, ніж порції червоного світла, з відносно великою довжиною.

Також це пояснило б, чому просте збільшення яскравості світла не особливо впливає на результат.

Світло яскравішою доставляє більше порцій світла дометалу, але це не змінює кількість енергії, яку переносять кожною порцією. Грубо кажучи, одна порція фіолетового світла може передати більше енергії одному електрону, ніж багато порцій червоного світла.

Ейнштейн назвав ці порції енергії фотонами і вНині їх визнали фундаментальними частинками. Видиме світло переноситься фотонами, інші види електромагнітного випромінювання на зразок рентгенівського, мікрохвильового і радіохвильового - теж. Іншими словами, світло - це частинка.

Спостереження за цими окремими хвилями світластало першим кроком у напрямку до управління і зміни світла, каже він, подібно до того, як ми змінюємо радіохвилі для перенесення радіо або телебачення.

Сто років тому фотоелектричний ефект показав,що видиме світло впливає на електрони в металі. Гулільмакіс каже, що повинна бути можливість точно контролювати ці електрони, використовуючи хвилі видимого світла, змінені таким чином, щоб взаємодіяти з металом чітко певним чином. «Ми можемо управляти світлом і з його допомогою управляти матерією», - говорить він.

Це може зробити революцію в електроніці,привести до нового покоління оптичних комп'ютерів, які будуть менше і швидше наших. «Ми зможемо рухати електронами як заманеться, створюючи електричні струми усередині твердих речовин за допомогою світла, а не як у звичайній електроніці».

Ось ще один спосіб описати світ: це інструмент.

Втім, нічого нового. Життя використовувала світло ще з тих пір, коли перші примітивні організми розвинули світлочутливі тканини. Очі людей вловлюють фотони видимого світла, ми використовуємо їх для вивчення навколишнього світу. Сучасні технології ще далі відводять цю ідею. У 2014 році Нобелівська премія з хімії була присуджена дослідникам, які побудували настільки потужний світловий мікроскоп, що він вважався фізично неможливим. Виявилося, що якщо постаратися, світло може показати нам речі, які ми думали ніколи не побачимо.