Viņš ir mums apkārt un ļauj mums redzēt pasauli. Bet pajautājiet jebkuram no mums, un lielākā daļa nevarēs izskaidrot, kāda patiesībā ir šī gaisma. Gaisma palīdz mums saprast pasauli, kurā mēs dzīvojam. Mūsu valoda to atspoguļo: tumsā mēs pārvietojamies pēc pieskāriena, mēs sākam redzēt gaismu kopā ar rītausmas iestāšanos. Un tomēr mēs esam tālu no pilnīgas gaismas izpratnes. Ja jūs tuvināsiet gaismas staru, kas tajā būs? Jā, gaisma pārvietojas neticami ātri, bet vai to nevar izmantot ceļojumiem? Un tā tālāk un tā tālāk.
Protams, tā tam nevajadzētu būt. Gaisma gadsimtiem ilgi ir radījusi neizpratni par labākajiem prātiem, taču ievērojamie atklājumi pēdējo 150 gadu laikā ir pakāpeniski pārcēluši noslēpuma plīvuru pār šo noslēpumu. Tagad mēs vairāk vai mazāk saprotam, kas tas ir.
Mūsu laika fiziķi ne tikai izprot gaismas dabu, bet arī cenšas to kontrolēt ar vēl nebijušu precizitāti - tas nozīmē, ka gaismu ļoti drīz var likt darboties visbrīnišķīgākajā veidā. Šī iemesla dēļ Apvienoto Nāciju Organizācija 2015. gadu ir noteikusi par Starptautisko Gaismas gadu.
Gaismu var aprakstīt visdažādākajos veidos. Bet ir vērts sākt ar to: gaisma ir starojuma (starojuma) forma. Un šim salīdzinājumam ir jēga. Mēs zinām, ka pārmērīga saules gaisma var izraisīt ādas vēzi. Mēs arī zinām, ka radiācijas iedarbība var radīt risku saslimt ar dažām vēža formām; ir viegli vilkt paralēles.
Bet ne visi starojuma veidi tiek radīti vienādi. 19. gadsimta beigās zinātnieki varēja precīzi noteikt gaismas starojuma būtību. Un dīvainākais ir tas, ka šis atklājums nav radies, pētot gaismu, bet gan gadu desmitiem ilgi strādājot pie elektrības un magnētisma būtības.
Šķiet, ka elektrība un magnētisms ir pilnīgi atšķirīgas lietas. Bet tādi zinātnieki kā Hanss Kristians Oersteds un Maikls Faradejs ir atklājuši, ka viņi ir dziļi savstarpēji saistīti. Oersteds atklāja, ka elektriskā strāva, kas iet caur vadu, novirza magnētiskā kompasa adatu. Tikmēr Faradejs atklāja, ka magnēta pārvietošana pie stieples var radīt elektrisko strāvu vadā.
Tās dienas matemātiķi izmantoja šos novērojumus, lai izveidotu teoriju, kurā aprakstīta šī dīvainā jaunā parādība, ko viņi sauca par "elektromagnētismu". Bet tikai Džeimss Klerks Maksvels spēja aprakstīt pilnu ainu.
Maksvela ieguldījumu zinātnē diez vai var pārvērtēt. Alberts Einšteins, kuru iedvesmoja Maksvels, sacīja, ka viņš uz visiem laikiem mainīja pasauli. Cita starpā viņa aprēķini mums palīdzēja saprast, kas ir gaisma.
Reklāmas video:
Maksvels parādīja, ka elektriskie un magnētiskie lauki pārvietojas viļņos, un šie viļņi pārvietojas ar gaismas ātrumu. Tas ļāva Maksvelam paredzēt, ka pašu gaismu nes elektromagnētiskie viļņi - tas nozīmē, ka gaisma ir elektromagnētiskā starojuma forma.
1880. gadu beigās, dažus gadus pēc Maksvela nāves, vācu fiziķis Heinrihs Hercs pirmais oficiāli pierādīja, ka Maksvela teorētiskā elektromagnētiskā viļņa koncepcija ir pareiza.
"Esmu pārliecināts, ka, ja Maksvels un Hercs dzīvotu Nobela prēmijas laikmetā, viņi noteikti to dabūtu," saka Greiems Hols no Aberdīnas universitātes Lielbritānijā, kur Maksvels strādāja 1850. gadu beigās.
Maksvels ierindojas gaismas zinātnes annālēs cita, praktiskāka iemesla dēļ. 1861. gadā viņš atklāja pirmo stabilo krāsu fotogrāfiju, izmantojot trīs krāsu filtru sistēmu, kas mūsdienās lika pamatu daudzām krāsu fotogrāfijas formām.
Pati frāze, ka gaisma ir elektromagnētiskā starojuma veids, neko daudz nepasaka. Bet tas palīdz aprakstīt to, ko mēs visi saprotam: gaisma ir krāsu spektrs. Šis novērojums attiecas uz Īzaka Ņūtona darbu. Mēs redzam krāsu spektru visā krāšņumā, kad debesīs paceļas varavīksne - un šīs krāsas ir tieši saistītas ar Maksvela elektromagnētisko viļņu koncepciju.
Sarkanā gaisma vienā varavīksnes galā ir elektromagnētiskais starojums ar viļņa garumu no 620 līdz 750 nanometriem; violeta krāsa otrā galā ir starojums ar viļņa garumu no 380 līdz 450 nm. Bet elektromagnētiskais starojums ir vairāk nekā redzamās krāsas. Gaisma, kuras viļņa garums ir garāks par sarkanu, ir tā, ko mēs saucam par infrasarkano. Gaismu, kuras viļņa garums ir īsāks par violeto, sauc par ultravioleto. Daudzi dzīvnieki var redzēt ultravioletajā gaismā, un daži cilvēki to arī var redzēt, saka Eleftherios Gulilmakis no Max Planck Kvantu optikas institūta Garčingā, Vācijā. Dažos gadījumos cilvēki pat redz infrasarkano staru. Varbūt tāpēc mēs neesam pārsteigti, ka mēs saucam ultravioletās un infrasarkanās gaismas formas.
Interesanti, ka, viļņu garumiem kļūstot vēl īsākiem vai garākiem, mēs tos pārtraucam saukt par "gaismu". Ārpus ultravioletā starojuma elektromagnētiskie viļņi var būt īsāki par 100 nm. Šī ir rentgenstaru un gamma staru valstība. Vai esat kādreiz dzirdējuši par rentgenstaru saukšanu par gaismas formu?
"Zinātnieks neteiks:" Es staroju caur objektu ar rentgena gaismu. " Viņš teiks: “Es izmantoju rentgenstarus,” saka Gulilmakis.
Tikmēr ārpus infrasarkanā un elektromagnētiskā viļņa garuma viļņi stiepjas līdz 1 cm un pat tūkstošiem kilometru. Šādus elektromagnētiskos viļņus sauc par mikroviļņiem vai radioviļņiem. Dažiem var šķist dīvaini uztvert radioviļņus kā gaismu.
"Starp radioviļņiem un redzamo gaismu fizikā nav daudz fizisku atšķirību," saka Gulilmakis. "Jūs tos aprakstīsit ar vienādiem vienādojumiem un matemātiku." Viņus atšķir tikai mūsu ikdienas uztvere.
Tādējādi mēs iegūstam atšķirīgu gaismas definīciju. Tas ir ļoti šaurs elektromagnētiskā starojuma diapazons, ko mūsu acis var redzēt. Citiem vārdiem sakot, gaisma ir subjektīvs apzīmējums, ko mēs izmantojam tikai sajūtu ierobežotības dēļ.
Ja vēlaties iegūt detalizētāku pierādījumu tam, cik subjektīvi mēs uztveram krāsu, padomājiet par varavīksni. Lielākā daļa cilvēku zina, ka gaismas spektrā ir septiņas galvenās krāsas: sarkana, oranža, dzeltena, zaļa, ciāna, zila un violeta. Mums pat ir parocīgi sakāmvārdi un teicieni par medniekiem, kuri vēlas uzzināt, kur atrodas fazāns. Paskaties uz jauku varavīksni un mēģini redzēt visus septiņus. Tas pat Ņūtonam nepaveicās. Zinātniekiem ir aizdomas, ka zinātnieks varavīksni sadalīja septiņās krāsās, jo skaitlis "septiņi" senajai pasaulei bija ļoti svarīgs: septiņas piezīmes, septiņas nedēļas dienas utt.
Maksvela darbs pie elektromagnētisma mūs aizveda soli tālāk un parādīja, ka redzamā gaisma ir daļa no plaša starojuma spektra. Arī gaismas patiesā būtība kļuva skaidra. Gadsimtiem ilgi zinātnieki ir mēģinājuši saprast, kāda veida gaisma patiesībā iegūst fundamentālu mērogu, ceļojot no gaismas avota uz mūsu acīm.
Daži uzskatīja, ka gaisma pārvietojas viļņu vai viļņu veidā pa gaisu vai noslēpumaino "ēteri". Citi domāja, ka šis viļņu modelis bija kļūdains, un uzskatīja, ka gaisma ir sīku daļiņu plūsma. Ņūtons nosliecās uz otro viedokli, it īpaši pēc eksperimentu sērijas, ko viņš veica ar gaismu un spoguļiem.
Viņš saprata, ka gaismas stari pakļaujas stingriem ģeometriskiem noteikumiem. Spogulī atspoguļots gaismas stars darbojas kā bumba, kas iemesta tieši spogulī. Viļņi ne vienmēr sekos šīm paredzamajām taisnām līnijām, ieteica Ņūtons, tāpēc gaisma jānes kaut kādām sīkām, bezmasas daļiņām.
Problēma ir tāda, ka bija tikpat pārliecinoši pierādījumi, ka gaisma ir vilnis. Viens no skaidrākajiem pierādījumiem tam bija 1801. gadā. Tomass Jangs dubultās spraugas eksperimentu principā var veikt patstāvīgi mājās.
Paņemiet bieza kartona loksni un uzmanīgi sagrieziet tajā divus plānus vertikālus griezumus. Tad paņemiet "sakarīgu" gaismas avotu, kas izstaro tikai noteikta viļņa garumu: lāzers ir kārtībā. Tad novirziet gaismu uz diviem spraugām tā, lai tā iet cauri, tā nokristu uz otras virsmas.
Jūs varētu sagaidīt, ka otrajā virsmā, kur gaisma ir šķērsojusi spraugas, redzēsit divas spilgtas vertikālas līnijas. Bet, kad Jungs veica eksperimentu, viņš ieraudzīja gaišu un tumšu līniju secību kā svītrkodu.
Kad gaisma iet caur plānām spraugām, tā izturas kā ūdens viļņi, kas iet caur šauru atveri: tie izkliedējas un izplatās puslodes formas viļņošanās veidā.
Kad šī gaisma iziet cauri diviem spraugām, katrs vilnis nodzēš otru, veidojot tumšus plankumus. Kad viļņošanās saplūst, tā papildinās, veidojot spilgtas vertikālas līnijas. Janga eksperiments burtiski apstiprināja viļņu modeli, tāpēc Maksvels ideju nodeva pamatīgā matemātiskā formā. Gaisma ir vilnis.
Bet tad notika kvantu revolūcija
Deviņpadsmitā gadsimta otrajā pusē fiziķi mēģināja noskaidrot, kā un kāpēc daži materiāli absorbē un izstaro elektromagnētisko starojumu labāk nekā citi. Ir vērts atzīmēt, ka toreiz elektriskā vieglā rūpniecība tikai attīstījās, tāpēc materiāli, kas var izstarot gaismu, bija nopietna lieta.
Deviņpadsmitā gadsimta beigās zinātnieki atklāja, ka objekta izstarotā elektromagnētiskā starojuma daudzums mainījās līdz ar tā temperatūru, un viņi izmēra šīs izmaiņas. Bet neviens nezināja, kāpēc tas notiek. 1900. gadā Makss Planks atrisināja šo problēmu. Viņš atklāja, ka aprēķini var izskaidrot šīs izmaiņas, taču tikai tad, ja pieņemam, ka elektromagnētiskais starojums tiek pārraidīts sīkās, atsevišķās daļās. Plancks tos sauca par "kvantiem", latīņu "kvantu" daudzskaitli. Dažus gadus vēlāk Einšteins ņēma savas idejas par pamatu un paskaidroja vēl vienu pārsteidzošu eksperimentu.
Fiziķi ir atklājuši, ka metāla gabals kļūst pozitīvi uzlādēts, ja to apstaro ar redzamu vai ultravioleto gaismu. Šo efektu sauca par fotoelektrisko.
Metālā atomi zaudēja negatīvi lādētos elektronus. Acīmredzot gaisma metālam piegādāja pietiekami daudz enerģijas, lai tas varētu atbrīvot dažus elektronus. Bet kāpēc elektroni to izdarīja, nebija skaidrs. Viņi varēja pārvadāt vairāk enerģijas, vienkārši mainot gaismas krāsu. Konkrēti, elektroni, ko atbrīvo metāls, kuru apstaro ar violetu gaismu, pārvadā vairāk enerģijas nekā elektroni, ko atbrīvo metāls, kas apstaro ar sarkanu gaismu.
Ja gaisma būtu tikai vilnis, tas būtu smieklīgi
Parasti jūs maināt enerģijas daudzumu viļņā, padarot to lielāku - iedomājieties augstu iznīcinoša spēka cunami -, nevis ilgāku vai īsāku. Plašāk runājot, labākais veids, kā palielināt enerģiju, ko gaisma pārnes uz elektroniem, ir padarīt gaismas viļņu augstāku: tas ir, padarīt gaismu gaišāku. Viļņa garuma un līdz ar to arī gaismas maiņai nevajadzēja būt daudz ko mainīt.
Einšteins saprata, ka fotoelektrisko efektu ir vieglāk saprast, ja jūs pārstāvat gaismu Plankas kvantu terminoloģijā.
Viņš ieteica, ka gaisma tiek pārvadāta sīkos kvantu gabalos. Katrs kvants nes daļu ar diskrētu enerģiju, kas saistīta ar viļņa garumu: jo īsāks viļņa garums, jo blīvāka ir enerģija. Tas varētu izskaidrot, kāpēc samērā īsās vijolītes gaismas viļņu daļas pārvadā vairāk enerģijas nekā salīdzinoši garās sarkanās gaismas daļas.
Tas arī izskaidrotu, kāpēc vienkārši gaismas spilgtuma palielināšana faktiski neietekmē rezultātu.
Spilgtāka gaisma piegādā metālam vairāk gaismas daļu, taču tas nemaina katras porcijas nesamo enerģijas daudzumu. Aptuveni runājot, viena violetas gaismas daļa var pārnest vairāk enerģijas uz vienu elektronu nekā daudzas sarkanās gaismas daļas.
Einšteins šīs enerģijas daļas nosauca par fotoniem, un tagad tās tiek atzītas par fundamentālām daļiņām. Redzamo gaismu nes fotoni, un tiek pārnesti arī citi elektromagnētiskā starojuma veidi, piemēram, rentgenstari, mikroviļņu un radioviļņi. Citiem vārdiem sakot, gaisma ir daļiņa.
Ar to fiziķi nolēma beigt debates par to, no kā veidojas gaisma. Abi modeļi bija tik pārliecinoši, ka nebija jēgas no tā atteikties. Par pārsteigumu daudziem nefiziķiem zinātnieki ir nolēmuši, ka gaisma vienlaikus darbojas kā daļiņa un vilnis. Citiem vārdiem sakot, gaisma ir paradokss.
Tajā pašā laikā fiziķiem nebija problēmu ar sadalīto gaismas personību. Tas zināmā mērā padarīja gaismu divtik noderīgu. Šodien, paļaujoties uz gaismekļu darbu vārda tiešajā nozīmē - Maksvelu un Einšteinu, mēs visu izspiežam no gaismas.
Izrādās, ka vienādojumi, kas izmantoti gaismas viļņu un gaismas daļiņu aprakstam, darbojas vienlīdz labi, taču dažos gadījumos vienu ir vieglāk izmantot nekā otru. Tātad fiziķi pārslēdzas starp tiem, līdzīgi kā mēs izmantojam skaitītājus, lai aprakstītu mūsu pašu augstumu, un pāriet uz kilometriem, lai aprakstītu braucienu ar velosipēdu.
Daži fiziķi mēģina izmantot gaismu, lai izveidotu šifrētus saziņas kanālus, piemēram, naudas pārskaitījumiem. Viņiem ir jēga domāt par gaismu kā par daļiņām. Tas ir saistīts ar kvantu fizikas dīvaino dabu. Divas pamatdaļiņas, piemēram, fotonu pāri, var “sapīt”. Tas nozīmē, ka tiem būs kopīgas īpašības neatkarīgi no tā, cik tālu viņi atrodas viens no otra, tāpēc tos var izmantot informācijas pārsūtīšanai starp diviem Zemes punktiem.
Vēl viena šīs saķeršanās iezīme ir tā, ka fotonu kvantu stāvoklis mainās, tos lasot. Tas nozīmē, ka, ja kāds mēģina noklausīties šifrētu kanālu, teorētiski viņš nekavējoties nodos savu klātbūtni.
Citi, piemēram, Gulilmakis, elektronikā izmanto gaismu. Viņiem šķiet lietderīgāk attēlot gaismu kā viļņu virkni, ko var pieradināt un kontrolēt. Mūsdienu ierīces, ko sauc par "gaismas lauka sintezatoriem", var savstarpēji apvienot gaismas viļņus, perfekti sinhronizējot. Rezultātā tie rada gaismas impulsus, kas ir intensīvāki, īslaicīgāki un vairāk virzīti nekā gaisma no parastās lampas.
Pēdējo 15 gadu laikā šīs ierīces ir iemācījušās izmantot, lai ārkārtīgi pieradinātu gaismu. 2004. gadā Gulilmakis un viņa kolēģi iemācījās radīt neticami īsus rentgenstaru impulsus. Katrs impulss ilga tikai 250 attosekundes jeb 250 kvintiljonus sekundes.
Izmantojot šos sīkos impulsus kā kameras zibspuldzi, viņi spēja uzņemt atsevišķas redzamās gaismas viļņu attēlus, kas svārstās daudz lēnāk. Viņi burtiski fotografēja kustīgu gaismu.
"Kopš Maksvela mēs zinājām, ka gaisma ir svārstīgs elektromagnētiskais lauks, taču neviens pat nedomāja, ka mēs varētu fotografēt svārstīgu gaismu," saka Gulilmakis.
Šo individuālo gaismas viļņu novērošana bija pirmais solis virzienā uz gaismas manipulēšanu un modificēšanu, viņš saka, līdzīgi kā mēs mainām radioviļņus, lai pārvadātu radio un televīzijas signālus.
Pirms simts gadiem fotoelektriskais efekts parādīja, ka redzamā gaisma ietekmē metāla elektronus. Gulilmakis saka, ka vajadzētu būt iespējai precīzi kontrolēt šos elektronus, izmantojot redzamus gaismas viļņus, kas pārveidoti, lai skaidri definētā veidā mijiedarbotos ar metālu. "Mēs varam manipulēt ar gaismu un izmantot to, lai manipulētu ar matēriju," viņš saka.
Tas varētu radikāli mainīt elektroniku, radīt jaunu optisko datoru paaudzi, kas ir mazāki un ātrāki nekā mūsējie. "Mēs varam pārvietot elektronus pēc saviem ieskatiem, ar gaismas palīdzību radot elektriskās strāvas cietvielu iekšienē, nevis kā parastajā elektronikā."
Šeit ir vēl viens veids, kā aprakstīt gaismu: tas ir instruments
Tomēr nekas jauns. Dzīve ir izmantojusi gaismu kopš tā laika, kad pirmie primitīvie organismi izstrādāja gaismai jutīgus audus. Cilvēku acis uztver redzamās gaismas fotonus, mēs tos izmantojam, lai pētītu apkārtējo pasauli. Mūsdienu tehnoloģijas aizved šo ideju vēl tālāk. 2014. gadā Nobela prēmiju ķīmijā piešķīra pētniekiem, kuri uzbūvēja tik spēcīgu gaismas mikroskopu, ka to uzskatīja par fiziski neiespējamu. Izrādījās, ka, ja mēs mēģinām, gaisma mums var parādīt lietas, kuras mēs domājām, ka nekad neredzēsim.