Han er rundt oss og lar oss se verden. Men spør noen av oss, og de fleste vil ikke kunne forklare hva dette lyset egentlig er. Lys hjelper oss å forstå verden vi lever i. Språket vårt gjenspeiler dette: i mørket beveger vi oss ved berøring, begynner vi å se lyset sammen med morgenens begynnelse. Og likevel er vi langt fra å forstå lyset fullt ut. Hvis du bringer en lysstråle nærmere, hva vil det være i den? Ja, lys beveger seg utrolig raskt, men kan det ikke brukes til reiser? Og så videre.
Dette skal selvfølgelig ikke være tilfelle. Lys har forundret de beste sinnene i århundrer, men landemerkefunn de siste 150 årene har gradvis løftet mysteriet over dette mysteriet. Nå forstår vi mer eller mindre hva det er.
Fysikere i vår tid forstår ikke bare lysets natur, men prøver også å kontrollere det med enestående presisjon - noe som betyr at lys veldig snart kan få den til å fungere på den mest fantastiske måten. Av denne grunn har FN utropt 2015 til det internasjonale lysåret.
Lys kan beskrives på alle mulige måter. Men det er verdt å starte med dette: lys er en form for stråling (stråling). Og denne sammenligningen er fornuftig. Vi vet at overflødig sollys kan forårsake hudkreft. Vi vet også at strålingseksponering kan sette deg i fare for noen former for kreft; det er lett å trekke paralleller.
Men ikke alle former for stråling er like. På slutten av 1800-tallet klarte forskere å bestemme den eksakte essensen av lysstråling. Og det merkeligste er at denne oppdagelsen ikke kom fra studiet av lys, men kom ut av flere tiårs arbeid med naturen til elektrisitet og magnetisme.
Elektrisitet og magnetisme ser ut til å være helt andre ting. Men forskere som Hans Christian Oersted og Michael Faraday har funnet ut at de er dypt sammenflettet. Oersted oppdaget at en elektrisk strøm som går gjennom en ledning avbøyer nålen til et magnetisk kompass. I mellomtiden oppdaget Faraday at å flytte en magnet nær en ledning kan generere en elektrisk strøm i ledningen.
Matematikerne på den tiden brukte disse observasjonene til å lage en teori som beskriver dette merkelige nye fenomenet, som de kalte "elektromagnetisme". Men bare James Clerk Maxwell var i stand til å beskrive hele bildet.
Maxwells bidrag til vitenskap kan knapt overvurderes. Albert Einstein, som ble inspirert av Maxwell, sa at han forandret verden for alltid. Blant annet hjalp beregningene hans oss til å forstå hva lys er.
Kampanjevideo:
Maxwell viste at elektriske og magnetiske felt beveger seg i bølger, og disse bølgene beveger seg med lysets hastighet. Dette tillot Maxwell å forutsi at selve lyset bæres av elektromagnetiske bølger - noe som betyr at lys er en form for elektromagnetisk stråling.
På slutten av 1880-tallet, flere år etter Maxwells død, var den tyske fysikeren Heinrich Hertz den første som offisielt demonstrerte at Maxwells teoretiske konsept om den elektromagnetiske bølgen var riktig.
"Jeg er sikker på at hvis Maxwell og Hertz levde i Nobelprisens tid, ville de definitivt få en," sier Graham Hall fra University of Aberdeen i Storbritannia - der Maxwell jobbet på slutten av 1850-tallet.
Maxwell rangerer i annaler av vitenskapen om lys av en annen, mer praktisk grunn. I 1861 avduket han den første stabile fargefotograferingen ved hjelp av trefargefiltersystemet, som la grunnlaget for mange former for fargefotografering i dag.
Selve setningen om at lys er en form for elektromagnetisk stråling sier ikke mye. Men det hjelper å beskrive det vi alle forstår: lys er et spekter av farger. Denne observasjonen går tilbake til arbeidet til Isaac Newton. Vi ser fargespekteret i all sin prakt når en regnbue stiger opp på himmelen - og disse fargene er direkte relatert til Maxwells konsept om elektromagnetiske bølger.
Det røde lyset i den ene enden av regnbuen er elektromagnetisk stråling med en bølgelengde på 620 til 750 nanometer; den fiolette fargen i den andre enden er stråling med en bølgelengde på 380 til 450 nm. Men det er mer med elektromagnetisk stråling enn synlige farger. Lys med lengre bølgelengde enn rødt er det vi kaller infrarødt. Lys med en kortere bølgelengde enn fiolett kalles ultrafiolett. Mange dyr kan se i ultrafiolett lys, og noen mennesker kan også se, sier Eleftherios Gulilmakis fra Max Planck Institute for Quantum Optics i Garching, Tyskland. I noen tilfeller ser folk til og med infrarød. Kanskje det er grunnen til at vi ikke er overrasket over at vi kaller ultrafiolette og infrarøde former for lys.
Merkelig, men hvis bølgelengdene blir enda kortere eller lengre, slutter vi å kalle dem "lette". Utenfor ultrafiolett kan elektromagnetiske bølger være kortere enn 100 nm. Dette er riket av røntgenstråler og gammastråler. Har du noen gang hørt om røntgenstråler som kalles en form for lys?
"Forskeren vil ikke si" Jeg skinner gjennom objektet med røntgenlys. " Han vil si "Jeg bruker røntgen," sier Gulilmakis.
I mellomtiden, utover infrarøde og elektromagnetiske bølgelengder, strekker bølgene seg opp til 1 cm og til og med opp til tusenvis av kilometer. Slike elektromagnetiske bølger kalles mikrobølger eller radiobølger. Det kan virke rart for noen å oppfatte radiobølger som lys.
"Det er ikke mye fysisk forskjell mellom radiobølger og synlig lys fra et fysikksynspunkt," sier Gulilmakis. "Du vil beskrive dem med samme ligninger og matematikk." Bare vår hverdagsoppfatning skiller dem.
Dermed får vi en annen definisjon av lys. Dette er et veldig smalt område av elektromagnetisk stråling som øynene våre kan se. Med andre ord er lys en subjektiv etikett som vi bare bruker på grunn av begrensningene i sansene våre.
Hvis du vil ha mer detaljert bevis på hvor subjektiv vår oppfatning av farge er, kan du tenke på regnbuen. De fleste vet at lysspekteret inneholder syv primærfarger: rød, oransje, gul, grønn, cyan, blå og fiolett. Vi har til og med praktiske ordtak og ordtak om jegere som vil vite hvor en fasan er. Se på en fin regnbue og prøv å se alle syv. Selv Newton lyktes ikke. Forskere mistenker at forskeren delte regnbuen i syv farger, siden tallet "syv" var veldig viktig for den antikke verden: syv toner, syv dager i uken osv.
Maxwells arbeid med elektromagnetisme tok oss et skritt videre og viste at synlig lys var en del av et bredt spekter av stråling. Lysets sanne natur ble også tydelig. I århundrer har forskere prøvd å forstå hvilken form lys faktisk tar i en grunnleggende skala når det beveger seg fra lyskilden til øynene våre.
Noen mente at lys beveger seg i form av bølger eller krusninger, gjennom luften eller den mystiske "eteren". Andre trodde at denne bølgemodellen var feil og betraktet lys som en strøm av små partikler. Newton lente seg mot den andre oppfatningen, spesielt etter en serie eksperimenter han gjennomførte med lys og speil.
Han innså at lysstrålene overholder strenge geometriske regler. En lysstråle reflektert i et speil oppfører seg som en ball kastet direkte inn i et speil. Bølger vil ikke nødvendigvis følge disse forutsigbare rette linjene, foreslo Newton, så lys må bæres av en eller annen form for små, masseløse partikler.
Problemet er at det har vært like overbevisende bevis for at lys er en bølge. En av de klareste demonstrasjonene av dette var i 1801. Thomas Young dobbeltspalteeksperiment kan i prinsippet gjøres uavhengig hjemme.
Ta et ark tykt papp og klipp forsiktig to tynne vertikale kutt i det. Ta deretter en "sammenhengende" lyskilde som bare vil avgi lys med en viss bølgelengde: en laser vil gjøre det bra. Rett deretter lyset mot to spalter slik at når det passerer gjennom, faller det på den andre overflaten.
Du forventer å se to lyse vertikale linjer på den andre overflaten der lyset har passert gjennom spaltene. Men da Jung gjorde eksperimentet, så han en sekvens av lyse og mørke linjer som en strekkode.
Når lys passerer gjennom tynne spalter, oppfører det seg som vannbølger som passerer gjennom en smal åpning: de sprer seg og spres i form av halvkuleformede krusninger.
Når dette lyset passerer gjennom to spalter, slukker hver bølge den andre og danner mørke flekker. Når krusningene konvergerer, kompletterer det å danne lyse vertikale linjer. Youngs eksperiment bokstavelig talt bekreftet bølgemodellen, så Maxwell satte ideen i solid matematisk form. Lys er en bølge.
Men så skjedde det en kvanterevolusjon
I andre halvdel av det nittende århundre prøvde fysikere å finne ut hvordan og hvorfor noen materialer absorberer og avgir elektromagnetisk stråling bedre enn andre. Det er verdt å merke seg at den elektriske lysindustrien bare utviklet seg da, så materialer som kan avgi lys var en alvorlig ting.
Mot slutten av det nittende århundre oppdaget forskere at mengden elektromagnetisk stråling som sendes ut av et objekt endret seg med temperaturen, og de målte disse endringene. Men ingen visste hvorfor dette skjedde. I 1900 løste Max Planck dette problemet. Han fant at beregninger kunne forklare disse endringene, men bare hvis vi antar at elektromagnetisk stråling overføres i små, diskrete deler. Planck kalte dem "quanta", flertall av det latinske "quantum". Noen år senere tok Einstein ideene sine som grunnlag og forklarte et annet overraskende eksperiment.
Fysikere har oppdaget at et metallstykke blir positivt ladet når det bestråles med synlig eller ultrafiolett lys. Denne effekten har blitt kalt fotoelektrisk.
Atomer i metallet mistet negativt ladede elektroner. Tilsynelatende leverte lyset nok energi til metallet til at det kunne frigjøre noen av elektronene. Men hvorfor elektronene gjorde dette var ikke klart. De kunne bære mer energi bare ved å endre fargen på lyset. Spesielt hadde elektroner frigitt av et metall bestrålt med fiolett lys mer energi enn elektroner frigitt av et metall bestrålet med rødt lys.
Hvis lys bare var en bølge, ville det være latterlig
Vanligvis endrer du mengden energi i bølgen, og gjør den høyere - forestill deg en høy tsunami med destruktiv kraft - snarere enn lenger eller kortere. Mer generelt er den beste måten å øke energien som lys overfører til elektroner, å gjøre lysbølgen høyere: det vil si å gjøre lyset lysere. Å endre bølgelengden, og dermed lyset, burde ikke ha gjort stor forskjell.
Einstein innså at den fotoelektriske effekten er lettere å forstå hvis du representerer lys i terminologien til Planck quanta.
Han foreslo at lys bæres i små kvantebiter. Hvert kvante bærer en del av diskret energi assosiert med en bølgelengde: jo kortere bølgelengde, jo tettere energi. Dette kan forklare hvorfor de relativt korte bølgelengdedelene av fiolett lys bærer mer energi enn de relativt lange delene av rødt lys.
Det vil også forklare hvorfor bare å øke lysstyrken til lyset ikke virkelig påvirker resultatet.
Lysere lys gir flere deler av lys til metallet, men dette endrer ikke mengden energi som bæres av hver del. Grovt sett kan en porsjon fiolett lys overføre mer energi til ett elektron enn mange porsjoner rødt lys.
Einstein kalte disse delene av energifotoner og er nå anerkjent som grunnleggende partikler. Synlig lys bæres av fotoner, og andre former for elektromagnetisk stråling som røntgenstråler, mikrobølgeovn og radiobølger bæres også. Med andre ord er lys en partikkel.
På dette tidspunktet bestemte fysikere seg for å avslutte debatten om hva lyset er laget av. Begge modellene var så overbevisende at det ikke var noe poeng å forlate en. Til overraskelse for mange ikke-fysikere har forskere bestemt at lys oppfører seg som en partikkel og en bølge på samme tid. Med andre ord er lys et paradoks.
Samtidig hadde ikke fysikere problemer med lysets splittede personlighet. Dette gjorde til en viss grad lys dobbelt så nyttig. I dag stoler vi på lysarmaturenes ord i bokstavelig forstand av ordet - Maxwell og Einstein - vi klemmer alt ut av lyset.
Det viser seg at ligningene som brukes til å beskrive lysbølge og lyspartikkel fungerer like bra, men i noen tilfeller er det enklere å bruke enn det andre. Derfor bytter fysikere mellom dem, omtrent som vi bruker målere for å beskrive vår egen høyde, og går til kilometer og beskriver en sykkeltur.
Noen fysikere prøver å bruke lys til å lage krypterte kommunikasjonskanaler, for eksempel for pengeoverføringer. Det er fornuftig for dem å tenke på lys som partikler. Dette skyldes den merkelige naturen til kvantefysikk. To grunnleggende partikler, som et par fotoner, kan "vikles sammen". Dette betyr at de vil ha felles egenskaper uansett hvor langt fra hverandre, slik at de kan brukes til å overføre informasjon mellom to punkter på jorden.
Et annet trekk ved denne viklingen er at kvantetilstanden til fotonene endres når de blir lest. Dette betyr at hvis noen i teorien prøver å lytte til en kryptert kanal, vil han umiddelbart forråde sin tilstedeværelse.
Andre, som Gulilmakis, bruker lys i elektronikk. De synes det er mer nyttig å forestille seg lys som en serie bølger som kan temmes og styres. Moderne enheter kalt lysfeltsyntetiser kan bringe lysbølger sammen i perfekt synkronisering med hverandre. Som et resultat skaper de pulser av lys som er mer intense, kortvarige og mer retningsbestemte enn lys fra en konvensjonell lampe.
I løpet av de siste 15 årene har disse enhetene lært å bli brukt til å temme lys i ekstrem grad. I 2004 lærte Gulilmakis og kollegene hvordan man produserer utrolig korte pulser av røntgen. Hver puls varte bare 250 attosekunder, eller 250 quintillion sekunder.
Ved å bruke disse små pulser som en kamerablits, var de i stand til å ta bilder av individuelle bølger av synlig lys som svinger mye saktere. De tok bokstavelig talt bilder av lys i bevegelse.
"Helt siden Maxwell visste vi at lys er et oscillerende elektromagnetisk felt, men ingen trodde engang at vi kunne ta bilder av oscillerende lys," sier Gulilmakis.
Å observere disse individuelle lysbølgene var det første skrittet mot å manipulere og modifisere lys, sier han, omtrent som vi endrer radiobølger for å bære radio- og TV-signaler.
For hundre år siden viste den fotoelektriske effekten at synlig lys påvirker elektronene i et metall. Gulilmakis sier at det bør være mulig å nøyaktig kontrollere disse elektronene ved hjelp av synlige lysbølger modifisert for å samhandle med metallet på en veldefinert måte. "Vi kan manipulere lys og bruke det til å manipulere materie," sier han.
Dette kan revolusjonere elektronikken, føre til en ny generasjon optiske datamaskiner som er mindre og raskere enn vår. "Vi kan flytte elektroner som vi vil, skape elektriske strømmer i faste stoffer ved hjelp av lys, og ikke som i vanlig elektronikk."
Her er en annen måte å beskrive lys på: det er et instrument
Imidlertid ikke noe nytt. Livet har brukt lys helt siden de første primitive organismer utviklet lysfølsomme vev. Menneskets øyne fanger fotoner av synlig lys, vi bruker dem til å studere verden rundt oss. Moderne teknologi tar denne ideen enda lenger. I 2014 ble Nobelprisen i kjemi tildelt forskere som bygde et lysmikroskop så kraftig at det ble ansett som fysisk umulig. Det viste seg at hvis vi prøver, kan lys vise oss ting som vi trodde vi aldri ville se.
