El este în jurul nostru și ne permite să vedem lumea. Dar întrebați-ne pe oricare dintre noi și majoritatea nu vor putea explica ce este cu adevărat această lumină. Lumina ne ajută să înțelegem lumea în care trăim. Limbajul nostru reflectă acest lucru: în întuneric ne mișcăm prin atingere, începem să vedem lumina odată cu apariția zorilor. Și totuși suntem departe de a înțelege pe deplin lumina. Dacă aduceți o rază de lumină mai aproape, ce va fi în ea? Da, lumina se mișcă incredibil de repede, dar nu poate fi folosită pentru călătorii? Și așa mai departe și așa mai departe.
Desigur, acest lucru nu ar trebui să fie cazul. Lumina a nedumerit cele mai bune minți de secole, dar descoperirile de referință din ultimii 150 de ani au ridicat treptat vălul misterului asupra acestui mister. Acum înțelegem mai mult sau mai puțin ce este.
Fizicienii timpului nostru nu numai că înțeleg natura luminii, ci și încearcă să o controleze cu o precizie fără precedent - ceea ce înseamnă că lumina poate fi foarte curând pusă să funcționeze în modul cel mai uimitor. Din acest motiv, Organizația Națiunilor Unite a proclamat anul 2015 Anul Internațional al Luminii.
Lumina poate fi descrisă în tot felul de moduri. Dar merită să începem cu aceasta: lumina este o formă de radiație (radiație). Și această comparație are sens. Știm că excesul de lumină solară poate provoca cancer de piele. Știm, de asemenea, că expunerea la radiații vă poate pune în pericol pentru unele forme de cancer; nu este dificil să trasezi paralele.
Dar nu toate formele de radiații sunt create egale. La sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii de știință au putut determina esența exactă a radiației luminii. Și cel mai ciudat lucru este că această descoperire nu a venit din studiul luminii, ci a ieșit din decenii de muncă despre natura electricității și magnetismului.
Electricitatea și magnetismul par a fi lucruri complet diferite. Dar oameni de știință precum Hans Christian Oersted și Michael Faraday au descoperit că sunt profund împletite. Oersted a descoperit că un curent electric care trece printr-un fir deviază acul unei busole magnetice. Între timp, Faraday a descoperit că deplasarea unui magnet lângă un fir poate genera un curent electric în fir.
Matematicienii din acea zi au folosit aceste observații pentru a crea o teorie care descrie acest nou fenomen ciudat, pe care l-au numit „electromagnetism”. Dar numai James Clerk Maxwell a reușit să descrie imaginea completă.
Contribuția lui Maxwell la știință cu greu poate fi supraestimată. Albert Einstein, care a fost inspirat de Maxwell, a spus că a schimbat lumea pentru totdeauna. Printre altele, calculele sale ne-au ajutat să înțelegem ce este lumina.
Video promotional:
Maxwell a arătat că câmpurile electrice și magnetice se deplasează în unde, iar aceste unde se deplasează cu viteza luminii. Acest lucru i-a permis lui Maxwell să prezică că lumina însăși este purtată de unde electromagnetice - ceea ce înseamnă că lumina este o formă de radiație electromagnetică.
La sfârșitul anilor 1880, la câțiva ani după moartea lui Maxwell, fizicianul german Heinrich Hertz a fost primul care a demonstrat oficial că conceptul teoretic al lui Maxwell al undei electromagnetice era corect.
„Sunt sigur că dacă Maxwell și Hertz ar trăi în era Premiului Nobel, cu siguranță ar primi unul”, spune Graham Hall de la Universitatea din Aberdeen din Marea Britanie - unde Maxwell a lucrat la sfârșitul anilor 1850.
Maxwell se clasează în analele științei luminii dintr-un motiv diferit, mai practic. În 1861, a dezvăluit prima fotografie stabilă color utilizând sistemul de filtrare tri-culoare, care a pus bazele multor forme de fotografie color în prezent.
Expresia că lumina este o formă de radiație electromagnetică nu spune prea multe. Dar ajută să descriem ceea ce înțelegem cu toții: lumina este un spectru de culori. Această observație se întoarce la opera lui Isaac Newton. Vedem spectrul culorilor în toată splendoarea sa când un curcubeu se ridică pe cer - și aceste culori sunt direct legate de conceptul lui Maxwell de unde electromagnetice.
Lumina roșie de la un capăt al curcubeului este radiație electromagnetică cu o lungime de undă de 620 până la 750 nanometri; culoarea violet la celălalt capăt este radiația cu o lungime de undă de 380 până la 450 nm. Însă radiația electromagnetică are mai mult decât culorile vizibile. Lumina cu o lungime de undă mai mare decât roșu este ceea ce numim infraroșu. Lumina cu o lungime de undă mai mică decât violeta se numește ultravioletă. Multe animale pot vedea în lumină ultravioletă, iar unele persoane pot vedea și ele, spune Eleftherios Gulilmakis de la Institutul Max Planck pentru Optică Cuantică din Garching, Germania. În unele cazuri, oamenii chiar văd infraroșu. Poate de aceea nu ne miră faptul că numim forme de lumină ultraviolete și infraroșii.
În mod curios, însă, dacă lungimile de undă devin și mai scurte sau mai lungi, nu le mai numim „ușoare”. În afara ultravioletelor, undele electromagnetice pot fi mai scurte de 100 nm. Acesta este tărâmul razelor X și al razelor gamma. Ai auzit vreodată că razele X sunt numite o formă de lumină?
„Omul de știință nu va spune„ strălucesc prin obiect cu lumină cu raze X”. El va spune „Eu folosesc razele X”, spune Gulilmakis.
Între timp, dincolo de lungimile de undă în infraroșu și electromagnetice, undele se întind până la 1 cm și chiar până la mii de kilometri. Astfel de unde electromagnetice se numesc microunde sau unde radio. Unora li se poate părea ciudat să perceapă undele radio ca lumină.
„Nu există prea multe diferențe fizice între undele radio și lumina vizibilă în ceea ce privește fizica”, spune Gulilmakis. „Le vei descrie cu aceleași ecuații și matematică”. Doar percepția noastră de zi cu zi îi distinge.
Astfel, obținem o definiție diferită a luminii. Aceasta este o gamă foarte îngustă de radiații electromagnetice pe care ochii noștri o pot vedea. Cu alte cuvinte, lumina este o etichetă subiectivă pe care o folosim doar din cauza limitărilor simțurilor noastre.
Dacă doriți dovezi mai detaliate despre cât de subiectivă este percepția noastră asupra culorii, gândiți-vă la curcubeu. Majoritatea oamenilor știu că spectrul luminii conține șapte culori primare: roșu, portocaliu, galben, verde, cian, albastru și violet. Avem chiar proverbe și ziceri la îndemână despre vânători care vor să știe unde este un fazan. Uită-te la un curcubeu frumos și încearcă să-i vezi pe toți șapte. Nici Newton nu a reușit. Oamenii de știință bănuiesc că omul de știință a împărțit curcubeul în șapte culori, deoarece numărul „șapte” era foarte important pentru lumea antică: șapte note, șapte zile din săptămână etc.
Lucrarea lui Maxwell asupra electromagnetismului ne-a dus cu un pas mai departe și a arătat că lumina vizibilă face parte dintr-un spectru larg de radiații. Și adevărata natură a luminii a devenit clară. Timp de secole, oamenii de știință au încercat să înțeleagă ce formă ia de fapt lumina pe o scară fundamentală în timp ce se deplasează de la sursa de lumină la ochii noștri.
Unii credeau că lumina se mișcă sub formă de valuri sau valuri, prin aer sau misteriosul „eter”. Alții au crezut că acest model de undă este defect și au considerat că lumina este un flux de particule minuscule. Newton s-a aplecat spre a doua opinie, mai ales după o serie de experimente pe care le-a făcut cu lumină și oglinzi.
Și-a dat seama că razele de lumină respectă reguli geometrice stricte. O rază de lumină reflectată într-o oglindă se comportă ca o minge aruncată direct într-o oglindă. Undele nu vor urma neapărat aceste linii drepte previzibile, a sugerat Newton, astfel încât lumina trebuie să fie purtată de o formă de particule mici, fără masă.
Problema este că au existat dovezi la fel de convingătoare că lumina este o undă. Una dintre cele mai clare demonstrații a fost în 1801. Experimentul Thomas Young cu dublă fantă, în principiu, poate fi realizat independent acasă.
Luați o foaie de carton gros și tăiați cu grijă două tăieturi verticale subțiri. Apoi, luați o sursă de lumină „coerentă” care va emite doar lumină cu o anumită lungime de undă: un laser este bine. Apoi direcționați lumina către două fante astfel încât, pe măsură ce trece, să cadă pe cealaltă suprafață.
Te-ai aștepta să vezi două linii verticale strălucitoare pe a doua suprafață unde lumina a trecut prin fante. Dar când Jung a făcut experimentul, a văzut o secvență de linii deschise și întunecate ca un cod de bare.
Când lumina trece prin fante subțiri, se comportă ca niște valuri de apă care trec printr-o deschidere îngustă: se împrăștie și se răspândesc sub formă de valuri emisferice.
Când această lumină trece prin două fante, fiecare undă o amortizează pe cealaltă, formând pete întunecate. Când undele converg, se completează pentru a forma linii verticale strălucitoare. Experimentul lui Young a confirmat literalmente modelul de undă, așa că Maxwell a pus ideea într-o formă matematică solidă. Lumina este un val.
Dar apoi a avut loc o revoluție cuantică
În a doua jumătate a secolului al XIX-lea, fizicienii au încercat să-și dea seama cum și de ce unele materiale absorb și emit radiații electromagnetice mai bine decât altele. Trebuie remarcat faptul că pe atunci industria luminii electrice tocmai se dezvolta, astfel încât materialele care pot emite lumină erau un lucru serios.
Spre sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii de știință au descoperit că cantitatea de radiație electromagnetică emisă de un obiect s-a modificat odată cu temperatura acestuia și au măsurat aceste modificări. Dar nimeni nu știa de ce se întâmpla acest lucru. În 1900, Max Planck a rezolvat această problemă. El a descoperit că calculele ar putea explica aceste schimbări, dar numai dacă presupunem că radiația electromagnetică este transmisă în porțiuni discrete minuscule. Planck le-a numit „quanta”, pluralul latinului „cuantică”. Câțiva ani mai târziu, Einstein și-a luat ideile ca bază și a explicat un alt experiment surprinzător.
Fizicienii au descoperit că o bucată de metal devine încărcată pozitiv atunci când este iradiată cu lumină vizibilă sau ultravioletă. Acest efect a fost numit fotovoltaic.
Atomii din metal au pierdut electroni încărcați negativ. Aparent, lumina a furnizat suficientă energie metalului pentru ca acesta să elibereze o parte din electroni. Dar de ce au făcut acest lucru electronii nu era clar. Ei ar putea transporta mai multă energie pur și simplu schimbând culoarea luminii. Mai exact, electronii eliberați de un metal iradiat cu lumină violetă transportau mai multă energie decât electronii eliberați de un metal iradiat cu lumină roșie.
Dacă lumina ar fi doar o undă, ar fi ridicol
De obicei, schimbați cantitatea de energie din val, făcându-l mai mare - imaginați-vă un tsunami ridicat de putere distructivă - mai degrabă decât mai lung sau mai scurt. Mai general, cel mai bun mod de a crește energia pe care lumina o transferă către electroni este de a face unda de lumină mai mare: adică de a face lumina mai strălucitoare. Schimbarea lungimii de undă și, prin urmare, a luminii, nu ar fi trebuit să facă prea multe diferențe.
Einstein a realizat că efectul fotoelectric este mai ușor de înțeles dacă reprezentați lumina în terminologia cuantelor Planck.
El a sugerat că lumina este purtată de mici bucăți cuantice. Fiecare cuantică transportă o porțiune de energie discretă asociată cu o lungime de undă: cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât este mai densă energia. Acest lucru ar putea explica de ce porțiuni de lungime de undă relativ scurte ale luminii violete transportă mai multă energie decât porțiuni relativ lungi de lumină roșie.
Ar explica, de asemenea, de ce simpla creștere a luminozității luminii nu afectează cu adevărat rezultatul.
Lumina mai strălucitoare furnizează mai multe porțiuni de lumină metalului, dar aceasta nu schimbă cantitatea de energie transportată de fiecare porțiune. Aproximativ vorbind, o porțiune de lumină violetă poate transfera mai multă energie către un electron decât multe porțiuni de lumină roșie.
Einstein a numit aceste porțiuni de fotoni de energie și sunt acum recunoscuți ca particule fundamentale. Lumina vizibilă este transportată de fotoni și sunt transportate și alte forme de radiații electromagnetice, cum ar fi razele X, cuptorul cu microunde și undele radio. Cu alte cuvinte, lumina este o particulă.
Cu aceasta, fizicienii au decis să pună capăt dezbaterii despre ce este făcută lumina. Ambele modele au fost atât de convingătoare încât nu a avut rost să o abandonăm. Spre surprinderea multor non-fizicieni, oamenii de știință au decis că lumina se comportă ca o particulă și o undă în același timp. Cu alte cuvinte, lumina este un paradox.
În același timp, fizicienii nu au avut probleme cu personalitatea divizată a luminii. Acest lucru, într-o oarecare măsură, a făcut lumina de două ori utilă. Astăzi, bazându-ne pe munca luminilor în sensul literal al cuvântului - Maxwell și Einstein - stoarcem totul din lumină.
Se pare că ecuațiile utilizate pentru a descrie undele de lumină și particulele de lumină funcționează la fel de bine, dar în unele cazuri una este mai ușor de utilizat decât cealaltă. Deci, fizicienii comută între ei, la fel ca și cum am folosi contoare pentru a ne descrie propria înălțime și ne deplasăm la kilometri pentru a descrie o plimbare cu bicicleta.
Unii fizicieni încearcă să folosească lumina pentru a crea canale de comunicare criptate, de exemplu pentru transferuri de bani. Este logic pentru ei să se gândească la lumină ca la particule. Acest lucru se datorează naturii ciudate a fizicii cuantice. Două particule fundamentale, precum o pereche de fotoni, pot fi „încurcate”. Acest lucru înseamnă că vor avea proprietăți comune, indiferent cât de departe sunt unul de celălalt, deci pot fi folosite pentru a transfera informații între două puncte de pe Pământ.
O altă caracteristică a acestei încurcări este că starea cuantică a fotonilor se schimbă atunci când sunt citite. Aceasta înseamnă că, dacă cineva încearcă să trage cu urechea un canal criptat, teoretic, el își va trăda imediat prezența.
Alții, precum Gulilmakis, folosesc lumina în electronică. Ei consideră că este mai util să reprezinte lumina ca o serie de unde care pot fi îmblânzite și controlate. Dispozitivele moderne numite „sintetizatoare cu câmp luminos” pot combina undele luminoase în sincronizare perfectă între ele. Ca urmare, creează impulsuri de lumină care sunt mai intense, de scurtă durată și mai direcționale decât lumina de la o lampă convențională.
În ultimii 15 ani, aceste dispozitive au învățat să fie folosite pentru a îmblânzi lumina într-o măsură extremă. În 2004, Gulilmakis și colegii săi au învățat cum să producă impulsuri incredibil de scurte de raze X. Fiecare impuls a durat doar 250 de attosecunde, sau 250 de quintilioane de secunde.
Folosind aceste impulsuri minuscule ca un bliț al camerei, au reușit să capteze imagini ale undelor individuale de lumină vizibilă care oscilează mult mai încet. Au făcut literalmente fotografii cu lumină în mișcare.
„Încă de pe vremea lui Maxwell, am știut că lumina este un câmp electromagnetic oscilant, dar nimeni nici măcar nu s-a gândit că putem face poze cu lumina oscilantă”, spune Gulilmakis.
Observarea acestor unde individuale de lumină a fost primul pas către manipularea și modificarea luminii, spune el, la fel ca și cum modificăm undele radio pentru a transporta semnale radio și de televiziune.
Acum o sută de ani, efectul fotoelectric a arătat că lumina vizibilă afectează electronii dintr-un metal. Gulilmakis spune că ar trebui să fie posibil să se controleze cu precizie acești electroni folosind unde de lumină vizibile modificate pentru a interacționa cu metalul într-un mod bine definit. „Putem manipula lumina și o putem folosi pentru a manipula materia”, spune el.
Acest lucru ar putea revoluționa electronica și ar putea duce la o nouă generație de computere optice care sunt mai mici și mai rapide decât ale noastre. „Putem deplasa electroni după bunul plac, creând curenți electrici în interiorul solidelor cu ajutorul luminii și nu ca în electronica obișnuită”.
Iată un alt mod de a descrie lumina: este un instrument
Cu toate acestea, nimic nou. Viața folosește lumina de când primele organisme primitive au dezvoltat țesuturi sensibile la lumină. Ochii oamenilor captează fotonii luminii vizibile, îi folosim pentru a studia lumea din jur. Tehnologia modernă duce această idee și mai departe. În 2014, Premiul Nobel pentru chimie a fost acordat cercetătorilor care au construit un microscop cu lumină atât de puternic încât a fost considerat imposibil din punct de vedere fizic. S-a dovedit că, dacă încercăm, lumina ne poate arăta lucruri pe care credeam că nu le vom vedea niciodată.
