Je kolem nás a umožňuje nám vidět svět. Ale zeptejte se kohokoliv z nás a většina nebude schopna vysvětlit, co to světlo ve skutečnosti je. Světlo nám pomáhá porozumět světu, ve kterém žijeme. Náš jazyk to odráží: ve tmě, kterou se pohybujeme dotykem, začneme vidět světlo společně s nástupem úsvitu. A přesto jsme daleko od úplného pochopení světla. Pokud přiblížíte paprsek světla, co v něm bude? Ano, světlo se pohybuje neuvěřitelně rychle, ale nelze ho použít na cestování? A tak dále a tak dále.
Samozřejmě by tomu tak nemělo být. Světlo zmátlo ty nejlepší mozky po celá staletí, ale objevy mezníků za posledních 150 let postupně zvedly závoj tajemství nad tímto tajemstvím. Nyní víceméně chápeme, o co jde.
Fyzici naší doby nejen chápou povahu světla, ale také se ho snaží ovládat s bezprecedentní přesností - což znamená, že světlo lze velmi brzy přivést k tomu, aby fungovalo tím nejúžasnějším způsobem. Z tohoto důvodu vyhlásila OSN rok 2015 Mezinárodním rokem světla.
Světlo lze popsat různými způsoby. Ale stojí za to začít tímto: světlo je forma záření (záření). A toto srovnání dává smysl. Víme, že nadměrné sluneční světlo může způsobit rakovinu kůže. Víme také, že radiační expozice vás může vystavit riziku některých forem rakoviny; není těžké nakreslit paralely.
Ale ne všechny formy záření jsou stvořeny stejně. Na konci 19. století byli vědci schopni určit přesnou podstatu světelného záření. A nejpodivnější je, že tento objev nepochází ze studia světla, ale vychází z desetiletí práce na povaze elektřiny a magnetismu.
Elektřina a magnetismus se zdají být úplně jiné věci. Vědci jako Hans Christian Oersted a Michael Faraday však zjistili, že jsou hluboce propleteni. Oersted zjistil, že elektrický proud procházející drátem vychyluje jehlu magnetického kompasu. Mezitím Faraday objevil, že pohyb magnetu v blízkosti drátu může generovat elektrický proud v drátu.
Tehdejší matematici pomocí těchto pozorování vytvořili teorii popisující tento podivný nový fenomén, kterému říkali „elektromagnetismus“. Ale pouze James Clerk Maxwell dokázal popsat celý obraz.
Maxwellovu přínos pro vědu lze jen stěží přeceňovat. Albert Einstein, kterého Maxwell inspiroval, řekl, že navždy změnil svět. Jeho výpočty nám mimo jiné pomohly pochopit, co je to světlo.
Propagační video:
Maxwell ukázal, že elektrické a magnetické pole cestují ve vlnách a tyto vlny se pohybují rychlostí světla. To umožnilo Maxwellovi předpovědět, že samotné světlo je neseno elektromagnetickými vlnami - což znamená, že světlo je formou elektromagnetického záření.
Na konci 80. let 18. století, několik let po Maxwellově smrti, německý fyzik Heinrich Hertz jako první oficiálně prokázal, že Maxwellova teoretická koncepce elektromagnetické vlny byla správná.
„Jsem si jist, že kdyby Maxwell a Hertz žili v éře Nobelovy ceny, určitě by ji dostali,“říká Graham Hall z University of Aberdeen ve Velké Británii - kde Maxwell působil koncem 50. let 20. století.
Maxwell se řadí do análů vědy o světle z jiného, praktičtějšího důvodu. V roce 1861 představil první stabilní barevnou fotografii s použitím systému tříbarevného filtru, který položil základ mnoha dnešním formám barevné fotografie.
Samotná fráze, že světlo je formou elektromagnetického záření, moc neříká. Pomáhá však popsat to, čemu všichni rozumíme: světlo je spektrum barev. Toto pozorování sahá až k práci Isaaca Newtona. Vidíme barevné spektrum v celé jeho slávě, když na obloze stoupá duha - a tyto barvy přímo souvisejí s Maxwellovým konceptem elektromagnetických vln.
Červené světlo na jednom konci duhy je elektromagnetické záření s vlnovou délkou 620 až 750 nanometrů; fialová barva na druhém konci je záření o vlnové délce 380 až 450 nm. Ale elektromagnetické záření má více než viditelné barvy. Světlo s vlnovou délkou delší než červená je to, co nazýváme infračervené. Světlo s vlnovou délkou kratší než fialová se nazývá ultrafialové. Mnoho zvířat může vidět v ultrafialovém světle a někteří lidé vidí také, říká Eleftherios Gulilmakis z Institutu Maxe Plancka pro kvantovou optiku v německém Garchingu. V některých případech lidé dokonce vidí infračervené záření. Možná proto nás nepřekvapuje, že nazýváme ultrafialové a infračervené formy světla.
Zvláštní je, že pokud se vlnové délky ještě zkrátí nebo prodlouží, přestaneme jim říkat „světlo“. Mimo ultrafialové záření mohou být elektromagnetické vlny kratší než 100 nm. Toto je oblast rentgenových a gama paprsků. Slyšeli jste někdy o tom, že rentgenové záření se nazývá forma světla?
„Vědec neřekne‚ svítím skrz objekt rentgenovým světlem. ' Řekne „Používám rentgenové záření,“říká Gulilmakis.
Mezitím se přes infračervené a elektromagnetické vlnové délky táhnou vlny až 1 cm a dokonce až tisíce kilometrů. Takové elektromagnetické vlny se nazývají mikrovlny nebo rádiové vlny. Některým se může zdát divné vnímat rádiové vlny jako světlo.
"Z hlediska fyziky není velký fyzický rozdíl mezi rádiovými vlnami a viditelným světlem," říká Gulilmakis. „Popíšeš je stejnými rovnicemi a matematikou.“Pouze naše každodenní vnímání je odlišuje.
Tak dostaneme jinou definici světla. Jedná se o velmi úzký rozsah elektromagnetického záření, které naše oči vidí. Jinými slovy, světlo je subjektivní označení, které používáme pouze z důvodu omezení našich smyslů.
Pokud chcete podrobnější důkaz toho, jak subjektivní je naše vnímání barev, pomyslete na duhu. Většina lidí ví, že spektrum světla obsahuje sedm základních barev: červenou, oranžovou, žlutou, zelenou, azurovou, modrou a fialovou. Dokonce máme šikovná přísloví a výroky o lovcích, kteří chtějí vědět, kde je bažant. Podívejte se na pěknou duhu a zkuste vidět všech sedm. Ani Newton neuspěl. Vědci mají podezření, že vědec rozdělil duhu do sedmi barev, protože číslo „sedm“bylo pro starověký svět velmi důležité: sedm not, sedm dní v týdnu atd.
Maxwellova práce na elektromagnetismu nás posunula o krok dále a ukázala, že viditelné světlo bylo součástí širokého spektra záření. Zjistila se také pravá podstata světla. Po staletí se vědci snažili pochopit, jakou formu má světlo ve skutečnosti v zásadním měřítku, když se pohybuje od zdroje světla k našim očím.
Někteří věřili, že světlo se pohybuje ve formě vln nebo vln, vzduchem nebo tajemným „éterem“. Jiní si mysleli, že tento vlnový model je chybný, a světlo považovali za proud drobných částic. Newton se přiklonil k druhému názoru, zvláště po sérii experimentů, které provedl se světlem a zrcadly.
Uvědomil si, že paprsky světla se řídí přísnými geometrickými pravidly. Paprsek světla odražený v zrcadle se chová jako koule vržená přímo do zrcadla. Vlny nebudou nutně následovat tyto předvídatelné přímé linie, navrhl Newton, takže světlo musí být neseno nějakou formou drobných nehmotných částic.
Problém je v tom, že existují stejně přesvědčivé důkazy o tom, že světlo je vlna. Jedna z nejjasnějších demonstrací toho byla v roce 1801. Experiment s dvojitou štěrbinou Thomase Younga lze v zásadě provádět samostatně doma.
Vezměte list silné lepenky a opatrně do něj nakrájejte dva tenké svislé řezy. Pak vezměte „koherentní“světelný zdroj, který bude vyzařovat pouze světlo určité vlnové délky: laser je v pořádku. Poté nasměrujte světlo do dvou štěrbin tak, aby při průchodu dopadalo na druhý povrch.
Čekali byste, že na druhém povrchu, kde světlo prošlo štěrbinami, uvidíte dvě jasné svislé čáry. Ale když Jung provedl experiment, uviděl sled světlých a tmavých čar jako čárový kód.
Když světlo prochází tenkými štěrbinami, chová se jako vodní vlny, které procházejí úzkým otvorem: rozptylují se a šíří se ve formě hemisférických vln.
Když toto světlo prochází dvěma štěrbinami, každá vlna tlumí druhou a vytváří tmavé skvrny. Když se vlnění sbíhá, doplňuje se a vytváří jasné svislé čáry. Youngův experiment doslova potvrdil vlnový model, takže Maxwell dal tuto myšlenku do solidní matematické formy. Světlo je vlna.
Ale pak došlo k kvantové revoluci
Ve druhé polovině devatenáctého století se fyzici pokusili přijít na to, jak a proč některé materiály absorbují a emitují elektromagnetické záření lépe než jiné. Je třeba poznamenat, že tenkrát se elektrický světelný průmysl teprve vyvíjel, takže materiály, které mohou vyzařovat světlo, byly vážnou věcí.
Na konci devatenáctého století vědci zjistili, že množství elektromagnetického záření vyzařovaného objektem se mění s jeho teplotou, a měřili tyto změny. Ale nikdo nevěděl, proč se to děje. V roce 1900 Max Planck tento problém vyřešil. Zjistil, že výpočty mohou tyto změny vysvětlit, ale pouze pokud předpokládáme, že elektromagnetické záření je přenášeno v maličkých samostatných částech. Planck je nazval „quanta“, množné číslo latinského „quantum“. O několik let později vzal Einstein své myšlenky jako základ a vysvětlil další překvapivý experiment.
Fyzici objevili, že se kousek kovu pozitivně nabije, když je ozářen viditelným nebo ultrafialovým světlem. Tento efekt se nazývá fotovoltaický.
Atomy v kovu ztratily záporně nabité elektrony. Světlo podle všeho dodávalo kovu dostatek energie, aby mohlo uvolnit část elektronů. Ale proč to elektrony dělaly, nebylo jasné. Mohli nést více energie jednoduše změnou barvy světla. Zejména elektrony uvolněné kovem ozářeným fialovým světlem nesly více energie než elektrony uvolněné kovem ozářeným červeným světlem.
Pokud by světlo bylo jen vlnou, bylo by to směšné
Obvykle měníte množství energie ve vlně, takže je vyšší - představte si velkou tsunami destruktivní síly - spíše než delší nebo kratší. Obecněji řečeno, nejlepším způsobem, jak zvýšit energii, kterou světlo přenáší na elektrony, je zvýšit světelnou vlnu: to znamená, aby bylo světlo jasnější. Změna vlnové délky, a tedy i světla, by neměla mít velký rozdíl.
Einstein si uvědomil, že fotoelektrický efekt je snáze pochopitelný, pokud v terminologii Planckových kvant reprezentujete světlo.
Navrhl, aby světlo nesli malé kvantové kousky. Každé kvantum nese část diskrétní energie spojené s vlnovou délkou: čím kratší je vlnová délka, tím hustší je energie. To by mohlo vysvětlit, proč části krátkého vlnového rozsahu fialového světla nesou více energie než relativně dlouhé části červeného světla.
Vysvětlovalo by to také, proč pouhé zvýšení jasu světla ve skutečnosti neovlivní výsledek.
Jasnější světlo dodává do kovu více porcí světla, ale to nemění množství energie nesené každou částí. Zhruba řečeno, jedna část fialového světla může přenášet více energie na jeden elektron než mnoho částí červeného světla.
Einstein nazval tyto části energetických fotonů a jsou nyní uznávány jako základní částice. Viditelné světlo je neseno fotony a jsou také přenášeny další formy elektromagnetického záření, jako jsou rentgenové paprsky, mikrovlnné a rádiové vlny. Jinými slovy, světlo je částice.
V tomto bodě se fyzici rozhodli ukončit debatu o tom, z čeho se skládá světlo. Oba modely byly tak přesvědčivé, že nemělo smysl opustit jeden. K překvapení mnoha nefyziků se vědci rozhodli, že světlo se chová jako částice a vlna současně. Jinými slovy, světlo je paradox.
Fyzici zároveň neměli problémy s rozdělenou osobností světla. Díky tomu bylo světlo do jisté míry dvojnásobně užitečné. Dnes spoléháme na práci svítidel v doslovném smyslu slova - Maxwell a Einstein - vytlačujeme vše ze světla.
Ukázalo se, že rovnice používané k popisu světelných vln a světelných částic fungují stejně dobře, ale v některých případech je použití jednodušší než druhé. Fyzici tedy mezi nimi přepínají, podobně jako používáme metry k popisu vlastní výšky, a přejdeme na kilometry k popisu jízdy na kole.
Někteří fyzici se snaží pomocí světla vytvářet šifrované komunikační kanály, například pro převody peněz. Dává jim smysl myslet na světlo jako na částice. To je způsobeno podivnou povahou kvantové fyziky. Dvě základní částice, jako dvojice fotonů, mohou být „zapleteny“. To znamená, že budou mít společné vlastnosti bez ohledu na to, jak daleko od sebe jsou, takže je lze použít k přenosu informací mezi dvěma body na Zemi.
Dalším rysem tohoto zapletení je, že kvantový stav fotonů se mění, když jsou čteny. To znamená, že pokud se někdo pokusí teoreticky odposlouchávat šifrovaný kanál, okamžitě zradí svou přítomnost.
Jiní, jako Gulilmakis, používají světlo v elektronice. Považují za užitečnější představovat světlo jako sérii vln, které lze zkrotit a ovládat. Moderní zařízení zvaná „syntezátory světelného pole“mohou kombinovat světelné vlny v dokonalé vzájemné synchronizaci. Výsledkem je, že vytvářejí světelné impulsy, které jsou intenzivnější, krátkodobější a směrovější než světlo z konvenční lampy.
Za posledních 15 let se tato zařízení naučila používat k extrémnímu zkrotení světla. V roce 2004 se Gulilmakis a jeho kolegové naučili, jak produkovat neuvěřitelně krátké pulsy rentgenového záření. Každý puls trval pouze 250 attosekund nebo 250 kvintilionů sekund.
Pomocí těchto drobných pulzů, jako je blesk fotoaparátu, dokázali zachytit obrazy jednotlivých vln viditelného světla, které oscilovaly mnohem pomaleji. Doslova fotografovali pohybující se světlo.
"Od doby Maxwella jsme věděli, že světlo je oscilační elektromagnetické pole, ale nikoho ani nenapadlo, že bychom mohli fotografovat oscilační světlo," říká Gulilmakis.
Pozorování těchto jednotlivých vln světla bylo prvním krokem k manipulaci a úpravě světla, říká, podobně jako měníme rádiové vlny, aby přenášely rádiové a televizní signály.
Před sto lety fotoelektrický jev ukázal, že viditelné světlo ovlivňuje elektrony v kovu. Gulilmakis říká, že by mělo být možné tyto elektrony přesně ovládat pomocí vln viditelného světla upravených tak, aby přesně a interagovaly s kovem. "Můžeme manipulovat se světlem a použít jej k manipulaci s hmotou," říká.
To by mohlo způsobit revoluci v elektronice a vést k nové generaci optických počítačů, které jsou menší a rychlejší než naše. „Můžeme pohybovat elektrony, jak chceme, vytváříme elektrické proudy uvnitř pevných látek pomocí světla a ne jako v běžné elektronice.“
Tady je další způsob, jak popsat světlo: je to nástroj
Nic nového. Život používá světlo od doby, kdy první primitivní organismy vyvinuly tkáně citlivé na světlo. Oči lidí zachycují fotony viditelného světla, používáme je ke studiu světa kolem nás. Moderní technologie posouvají tuto myšlenku ještě dále. V roce 2014 byla Nobelova cena za chemii udělena vědcům, kteří postavili světelný mikroskop tak silný, že to bylo považováno za fyzicky nemožné. Ukázalo se, že když se pokusíme, světlo nám může ukázat věci, o kterých jsme si mysleli, že nikdy neuvidíme.