Han er omkring os og giver os mulighed for at se verden. Men spørg nogen af os, og de fleste vil ikke være i stand til at forklare, hvad dette lys virkelig er. Lys hjælper os med at forstå den verden, vi lever i. Vores sprog afspejler dette: i mørke bevæger vi os ved berøring, vi begynder at se lys sammen med begyndelsen af daggry. Og alligevel er vi langt fra en fuldstændig forståelse af lys. Hvis du bringer en lysstråle nærmere, hvad vil der være i den? Ja, lys bevæger sig utroligt hurtigt, men kan det ikke bruges til rejser? Og så videre og så videre.
Selvfølgelig bør dette ikke være tilfældet. Lys har forvirret de bedste sind i århundreder, men skelsættende opdagelser gennem de sidste 150 år har gradvist løftet mysteriets slør over dette mysterium. Nu forstår vi mere eller mindre, hvad det er.
Fysikere i vores tid forstår ikke kun lysets natur, men prøver også at kontrollere det med hidtil uset præcision - hvilket betyder, at lys meget snart kan få det til at fungere på den mest fantastiske måde. Af denne grund har FN proklameret 2015 til det internationale lysår.
Lys kan beskrives på alle mulige måder. Men det er værd at starte med dette: lys er en form for stråling (stråling). Og denne sammenligning giver mening. Vi ved, at overskydende sollys kan forårsage hudkræft. Vi ved også, at strålingseksponering kan sætte dig i fare for nogle former for kræft; det er let at trække paralleller.
Men ikke alle former for stråling skabes ens. I slutningen af det 19. århundrede var forskere i stand til at bestemme den nøjagtige essens af lysstråling. Og det mærkeligste er, at denne opdagelse ikke kom fra studiet af lys, men kom ud af årtiers arbejde med naturen af elektricitet og magnetisme.
Elektricitet og magnetisme ser ud til at være helt forskellige ting. Men forskere som Hans Christian Oersted og Michael Faraday har fundet ud af, at de er dybt sammenflettet. Oersted opdagede, at en elektrisk strøm, der passerer gennem en ledning, afbøjer nålen på et magnetisk kompas. I mellemtiden opdagede Faraday, at flytning af en magnet nær en ledning kunne generere en elektrisk strøm i ledningen.
Dags matematikere brugte disse observationer til at skabe en teori, der beskriver dette mærkelige nye fænomen, som de kaldte "elektromagnetisme". Men kun James Clerk Maxwell var i stand til at beskrive det fulde billede.
Maxwells bidrag til videnskaben kan næppe overvurderes. Albert Einstein, der blev inspireret af Maxwell, sagde, at han forandrede verden for evigt. Blandt andet hjalp hans beregninger os med at forstå, hvad lys er.
Salgsfremmende video:
Maxwell viste, at elektriske og magnetiske felter bevæger sig i bølger, og disse bølger bevæger sig med lysets hastighed. Dette tillod Maxwell at forudsige, at selve lyset bæres af elektromagnetiske bølger - hvilket betyder, at lys er en form for elektromagnetisk stråling.
I slutningen af 1880'erne, få år efter Maxwells død, var den tyske fysiker Heinrich Hertz den første til officielt at demonstrere, at Maxwells teoretiske koncept om den elektromagnetiske bølge var korrekt.
"Jeg er sikker på, at hvis Maxwell og Hertz levede i Nobelprisens æra, ville de helt sikkert få en," siger Graham Hall fra University of Aberdeen i Storbritannien - hvor Maxwell arbejdede i slutningen af 1850'erne.
Maxwell rangerer i annaler for lysvidenskaben af en anden, mere praktisk grund. I 1861 afslørede han den første stabile farvefotografering ved hjælp af trefarvet filtersystem, som lagde grundlaget for mange former for farvefotografering i dag.
Selve sætningen om, at lys er en form for elektromagnetisk stråling, siger ikke meget. Men det hjælper med at beskrive, hvad vi alle forstår: lys er et spektrum af farver. Denne observation går tilbage til Isaac Newtons arbejde. Vi ser farvespektret i al sin pragt, når en regnbue stiger op på himlen - og disse farver er direkte relateret til Maxwells koncept om elektromagnetiske bølger.
Det røde lys i den ene ende af regnbuen er elektromagnetisk stråling med en bølgelængde på 620 til 750 nanometer; den violette farve i den anden ende er stråling med en bølgelængde på 380 til 450 nm. Men der er mere ved elektromagnetisk stråling end synlige farver. Lys med en bølgelængde, der er længere end rød, er det, vi kalder infrarødt. Lys med en bølgelængde kortere end violet kaldes ultraviolet. Mange dyr kan se i ultraviolet lys, og nogle mennesker kan også se, siger Eleftherios Gulilmakis fra Max Planck Institute for Quantum Optics i Garching, Tyskland. I nogle tilfælde ser folk endda infrarød. Måske er det derfor, vi ikke er overraskede over, at vi kalder ultraviolette og infrarøde former for lys.
Mærkeligt, men hvis bølgelængderne bliver endnu kortere eller længere, stopper vi med at kalde dem "lys". Uden for ultraviolet kan elektromagnetiske bølger være kortere end 100 nm. Dette er området for røntgenstråler og gammastråler. Har du nogensinde hørt om røntgenstråler, der kaldes en form for lys?
"Videnskabsmanden vil ikke sige 'Jeg skinner gennem objektet med røntgenlys.' Han vil sige "Jeg bruger røntgenstråler," siger Gulilmakis.
I mellemtiden strækker bølger sig ud over infrarøde og elektromagnetiske bølgelængder op til 1 cm og endda op til tusinder af kilometer. Sådanne elektromagnetiske bølger kaldes mikrobølger eller radiobølger. Det kan virke underligt for nogle at opfatte radiobølger som lys.
”Der er ikke meget fysisk forskel mellem radiobølger og synligt lys med hensyn til fysik,” siger Gulilmakis. "Du vil beskrive dem med de samme ligninger og matematik." Kun vores daglige opfattelse adskiller dem.
Således får vi en anden definition af lys. Dette er et meget smalt område af elektromagnetisk stråling, som vores øjne kan se. Med andre ord er lys en subjektiv etiket, som vi kun bruger på grund af vores sanses begrænsninger.
Hvis du vil have mere detaljeret bevis for, hvor subjektiv vores opfattelse af farve er, så tænk på regnbuen. De fleste mennesker ved, at lysets spektrum indeholder syv primære farver: rød, orange, gul, grøn, cyan, blå og violet. Vi har endda praktiske ordsprog og ordsprog om jægere, der ønsker at vide, hvor en fasan er. Se på en dejlig regnbue og prøv at se alle syv. Selv Newton lykkedes ikke. Forskere har mistanke om, at forskeren delte regnbuen i syv farver, da tallet "syv" var meget vigtigt for den antikke verden: syv toner, syv dage i ugen osv.
Maxwells arbejde med elektromagnetisme tog os et skridt videre og viste, at synligt lys var en del af et bredt spektrum af stråling. Den sande natur af lys blev også klar. I århundreder har forskere forsøgt at forstå, hvilken form lys faktisk tager i en grundlæggende skala, når det bevæger sig fra lyskilden til vores øjne.
Nogle mente, at lys bevæger sig i form af bølger eller krusninger gennem luften eller den mystiske "æter". Andre troede, at denne bølgemodel var mangelfuld og betragtede lys som en strøm af små partikler. Newton bøjede sig mod sidstnævnte mening, især efter en række eksperimenter, han gennemførte med lys og spejle.
Han indså, at lysstrålene overholder strenge geometriske regler. En lysstråle, der reflekteres i et spejl, opfører sig som en kugle, der kastes direkte i et spejl. Bølger vil ikke nødvendigvis følge disse forudsigelige lige linjer, foreslog Newton, så lys skal bæres af en eller anden form for små, masseløse partikler.
Problemet er, at der var lige så overbevisende beviser for, at lys er en bølge. En af de klareste demonstrationer af dette var i 1801. Thomas Young dobbelt slids eksperiment kan i princippet udføres uafhængigt derhjemme.
Tag et ark tykt pap og skær forsigtigt to tynde lodrette snit i det. Tag derefter en "sammenhængende" lyskilde, der kun udsender lys med en bestemt bølgelængde: En laser klarer sig fint. Ret derefter lyset mod to spalter, så det, når det passerer igennem, falder på den anden overflade.
Du forventer at se to lyse lodrette linjer på den anden overflade, hvor lyset har passeret gennem spalterne. Men da Jung gjorde eksperimentet, så han en række lyse og mørke linjer som en stregkode.
Når lys passerer gennem tynde spalter, opfører det sig som vandbølger, der passerer gennem en smal åbning: de spredes og spredes i form af halvkugleformede krusninger.
Når dette lys passerer gennem to spalter, dæmper hver bølge den anden og danner mørke pletter. Når krusningerne konvergerer, supplerer det med at danne lyse lodrette linjer. Youngs eksperiment bogstaveligt bekræftede bølgemodellen, så Maxwell satte ideen i solid matematisk form. Lys er en bølge.
Men så var der en kvante revolution
I anden halvdel af det nittende århundrede forsøgte fysikere at finde ud af, hvordan og hvorfor nogle materialer absorberer og udsender elektromagnetisk stråling bedre end andre. Det er værd at bemærke, at den elektriske lysindustri lige udviklede sig dengang, så materialer, der kan udsende lys, var en alvorlig ting.
Mod slutningen af det nittende århundrede opdagede forskere, at mængden af elektromagnetisk stråling, der udsendes af et objekt, ændrede sig med dets temperatur, og de målte disse ændringer. Men ingen vidste, hvorfor dette skete. I 1900 løste Max Planck dette problem. Han fandt ud af, at beregninger kan forklare disse ændringer, men kun hvis vi antager, at elektromagnetisk stråling transmitteres i små, adskilte dele. Planck kaldte dem "quanta", flertallet af det latinske "quantum". Et par år senere tog Einstein sine ideer som grundlag og forklarede endnu et overraskende eksperiment.
Fysikere har opdaget, at et stykke metal bliver positivt ladet, når det bestråles med synligt eller ultraviolet lys. Denne effekt blev kaldt fotoelektrisk.
Atomer i metallet mistede negativt ladede elektroner. Tilsyneladende leverede lyset tilstrækkelig energi til metallet til, at det kunne frigive nogle af elektronerne. Men hvorfor elektronerne gjorde dette var ikke klart. De kunne bære mere energi simpelthen ved at ændre lysets farve. Især har elektroner frigivet af et metal bestrålet med violet lys mere energi end elektroner frigivet af et metal bestrålet med rødt lys.
Hvis lys kun var en bølge, ville det være latterligt
Normalt ændrer du mængden af energi i bølgen, hvilket gør den højere - forestil dig en høj tsunami med destruktiv kraft - og ikke længere eller kortere. Mere bredt er den bedste måde at øge den energi, som lys overfører til elektroner, på at gøre lysbølgen højere: det vil sige at gøre lyset lysere. Ændring af bølgelængden og dermed lyset skulle ikke have gjort meget forskel.
Einstein indså, at den fotoelektriske effekt er lettere at forstå, hvis du repræsenterer lys i terminologien i Planck quanta.
Han foreslog, at lys bæres i små kvantebiter. Hver kvante bærer en del af diskret energi forbundet med en bølgelængde: jo kortere bølgelængde, jo tættere er energien. Dette kunne forklare, hvorfor relativt korte bølgelængder af violet lys bærer mere energi end relativt lange dele af rødt lys.
Det ville også forklare, hvorfor det ganske enkelt ikke påvirker resultatet, hvis man blot øger lysets lysstyrke.
Lysere lys leverer flere portioner lys til metallet, men dette ændrer ikke mængden af energi, der bæres af hver del. Groft sagt kan en del af violet lys overføre mere energi til en elektron end mange dele af rødt lys.
Einstein kaldte disse dele af energifotoner og er nu anerkendt som grundlæggende partikler. Synligt lys bæres af fotoner, og andre former for elektromagnetisk stråling såsom røntgenstråler, mikrobølgeovn og radiobølger bæres også. Med andre ord er lys en partikel.
Med dette besluttede fysikere at afslutte debatten om, hvad lys er lavet af. Begge modeller var så overbevisende, at der ikke var nogen mening i at opgive en. Til overraskelse for mange ikke-fysikere har forskere besluttet, at lys opfører sig som en partikel og en bølge på samme tid. Med andre ord er lys et paradoks.
Samtidig havde fysikere ikke problemer med lysets splittede personlighed. Dette gjorde lyset til en vis grad dobbelt nyttigt. I dag stoler vi på armaturets arbejde i ordets bogstavelige forstand - Maxwell og Einstein - klemmer vi alt ud af lyset.
Det viser sig, at ligningerne, der bruges til at beskrive lysbølge og lyspartikel, fungerer lige så godt, men i nogle tilfælde er den ene lettere at bruge end den anden. Så fysikere skifter mellem dem, ligesom vi bruger målere til at beskrive vores egen højde og flytter til kilometer for at beskrive en cykeltur.
Nogle fysikere prøver at bruge lys til at skabe krypterede kommunikationskanaler, f.eks. Til pengeoverførsler. Det giver mening for dem at tænke på lys som partikler. Dette skyldes kvantefysikens underlige natur. To grundlæggende partikler, som et par fotoner, kan "vikles sammen". Dette betyder, at de vil have fælles egenskaber, uanset hvor langt de er fra hinanden, så de kan bruges til at overføre information mellem to punkter på Jorden.
Et andet træk ved denne vikling er, at kvantetilstanden for fotoner ændrer sig, når de læses. Dette betyder, at hvis nogen i teorien forsøger at aflytte en krypteret kanal, vil han straks forråde sin tilstedeværelse.
Andre, som Gulilmakis, bruger lys i elektronik. De finder det mere nyttigt at repræsentere lys som en række bølger, der kan tæmmes og styres. Moderne enheder kaldet "light field synthesizers" kan kombinere lysbølger i perfekt synkronisering med hinanden. Som et resultat skaber de pulser af lys, der er mere intense, kortvarige og mere retningsbestemte end lys fra en konventionel lampe.
I løbet af de sidste 15 år har disse enheder lært at blive brugt til at tæmme lys i ekstrem grad. I 2004 lærte Gulilmakis og hans kolleger, hvordan man fremstiller utroligt korte pulser af røntgenstråler. Hver puls varede kun 250 attosekunder eller 250 quintillion sekunder.
Ved hjælp af disse små impulser som en kamerablitz var de i stand til at tage billeder af individuelle bølger af synligt lys, der svinger meget langsommere. De tog bogstaveligt talt billeder af lys i bevægelse.
”Helt siden Maxwells tid vidste vi, at lys er et oscillerende elektromagnetisk felt, men ingen troede engang, at vi kunne tage billeder af det oscillerende lys,” siger Gulilmakis.
At observere disse individuelle lysbølger var det første skridt i retning af at manipulere og modificere lys, siger han, ligesom vi ændrer radiobølger til at bære radio- og tv-signaler.
For hundrede år siden viste den fotoelektriske effekt, at synligt lys påvirker elektronerne i et metal. Gulilmakis siger, at det burde være muligt nøjagtigt at styre disse elektroner ved hjælp af synlige lysbølger modificeret til at interagere med metallet på en veldefineret måde.”Vi kan manipulere lys og bruge det til at manipulere stof,” siger han.
Dette kan revolutionere elektronikken og føre til en ny generation af optiske computere, der bliver mindre og hurtigere end vores. "Vi kan flytte elektroner, som vi vil, skabe elektriske strømme inde i faste stoffer ved hjælp af lys og ikke som i almindelig elektronik."
Her er en anden måde at beskrive lys på: det er et instrument
Imidlertid intet nyt. Livet har brugt lys lige siden de første primitive organismer udviklede lysfølsomme væv. Menneskets øjne fanger fotoner af synligt lys, vi bruger dem til at studere verden omkring os. Moderne teknologi tager denne idé endnu længere. I 2014 blev Nobelprisen i kemi tildelt forskere, der byggede et lysmikroskop så kraftigt, at det blev anset for fysisk umuligt. Det viste sig, at hvis vi prøver, kan lys vise os ting, som vi troede, vi aldrig ville se.