Давайте розберемося: що ж таке світло?

0
376

Воно навколо нас і дозволяє нам бачити світ. Але запитайте будь-кого з нас, і більшість не зможе пояснити, що таке насправді світло. Світло допомагає нам розуміти світ, в якому ми живемо. Наша мова це відображає: в темряві ми пересуваємося на дотик, світло ми починаємо бачити разом з настанням зорі. І все ж ми далекі від повного розуміння світу. Якщо ви наблизите промінь світла, що в ньому буде? Так, світ рухається неймовірно швидко, але хіба його не можна застосувати для подорожей? І так далі і тому подібне.

Звичайно, все має бути не так. Світло спантеличує кращі уми протягом століть, але знакові відкриття, здійснені за останні 150 років, поступово відкривала завісу таємниці над цією загадкою. Тепер ми більш-менш розуміємо, що воно таке.

Фізики сучасності не тільки вивчають природу світла, але і намагаються управляти їй з безпрецедентною точністю — і, значить, світ дуже скоро можна змусити працювати самим дивним способом. З цієї причини Організація Об’єднаних Націй проголосила 2015 року Міжнародним роком Світла.

Світло можна описати всілякими способами. Але почати варто з цього: світло — це форма випромінювання (радіації). І в цьому порівнянні є сенс. Ми знаємо, що надлишок сонячного світла може викликати рак шкіри. Ми також знаємо, що радіаційне опромінення може викликати ризик розвитку деяких форм раку; неважко провести паралелі.

Але не всі форми випромінювання однакові. В кінці 19 століття вчені змогли визначити точну суть світлового випромінювання. І що найдивніше, це відкриття прийшло не в процесі вивчення світла, а вийшло десятиліть роботи над природою електрики і магнетизму.

Електрика і магнетизм здаються абсолютно різними речами. Але вчені Ганс Християн Ерстед і Майкл Фарадей встановили, що ті глибоко переплітаються. Ерстед виявив, що електричний струм, що проходить через дріт, відхиляє голку магнітного компаса. Між тим, Фарадей виявив, що переміщення магніту поблизу провода може генерувати електричний струм у проводі.

Математики того дня використовували ці спостереження для створення теорії, що описує це дивне нове явище, яке вони назвали «електромагнетизм». Але тільки Джеймс Клерк Максвелл зміг описати повну картину.

Внесок Максвелла в науку важко переоцінити. Альберт Ейнштейн, який надихався Максвеллом, говорив, що той змінив світ назавжди. Серед інших речей, його обчислення допомогли нам зрозуміти, що таке світло.

Максвелл показав, що електричні та магнітні поля пересуваються у вигляді хвиль, і ці хвилі рухаються зі швидкістю світла. Це дозволило Максвеллу передбачити, що світ сам по собі переноситься електромагнітними хвилями — і це означає, що світло є формою електромагнітного випромінювання.

В кінці 1880-х, через кілька років після смерті Максвелла, німецький фізик Генріх Герц першим офіційно продемонстрував, що теоретична концепція електромагнітної хвилі Максвелла була вірною.

«Я впевнений, що якщо б Максвелл і Герц жили в епоху Нобелівської премії, вони б точно її отримали», — говорить Грем Хол з Університету Абердіна у Великобританії — де працював Максвелл в кінці 1850-х.

Максвелл займає місце в анналах науки про світло з іншої, більш практичної причини. В 1861 році він оприлюднив першу стійку кольорову фотографію, отриману з використанням системи трикольорового фільтра, яка заклала основу для багатьох форм кольорової фотографії сьогодні.

Сама фраза про те, що світло є формою електромагнітного випромінювання, багато чого не говорить. Але допомагає описати те, що ми всі розуміємо: світло — це спектр кольорів. Це спостереження сходить ще до робіт Ісаака Ньютона. Ми бачимо колірний спектр у всій його красі, коли веселка сходить на небі — і ці кольори безпосередньо пов’язані з максвелловским поняттям електромагнітних хвиль.

Червоне світло на одному кінці веселки — це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 620 до 750 нанометрів; фіолетовий колір на іншому кінці — випромінювання з довжиною хвилі від 380 до 450 нм. Але в електромагнітному випромінюванні є й більше, ніж видимі кольори. Світло з довжиною хвилі довше червоного ми називаємо інфрачервоним. Світло з довжиною хвилі коротше фіолетового називаємо ультрафіолетовим. Багато тварин можуть бачити в ультрафіолетовому, деякі люди теж, каже Елефтеріос Гулильмакис з Інституту квантової оптики Макса Планка в Гархінге, Німеччина. У деяких випадках люди бачать навіть інфрачервоний. Можливо, тому нас не дивує, що ультрафіолетовий та інфрачервоний ми називаємо формами світла.

Цікаво, однак, що якщо довжини хвиль стають ще коротше або довше, ми перестаємо називати їх «світлом». За межами ультрафіолетового, електромагнітні хвилі можуть бути коротше за 100 нм. Це царство рентгенівських і гамма-променів. Ви коли-небудь чули, щоб рентгенівські промені називали формою світла?

«Вчений не скаже «я просвечиваю об’єкт рентгенівським світлом». Він скаже: «я використовую рентгенівські промені», — говорить Гулильмакис.

Між тим, за межами інфрачервоних і електромагнітних довжин хвилі витягуються до 1 см і навіть до тисяч кілометрів. Такі електромагнітні хвилі отримали назви мікрохвиль або радіохвиль. Комусь може здатися дивним сприймати радіохвилі як світло.

«Немає особливої фізичної різниці між радіохвилями і видимим світлом з точки зору фізики, — каже Гулильмакис. — Ви будете описувати їх одними і тими ж рівняннями і математикою». Тільки наше повсякденне сприйняття розрізняє їх.

Таким чином, ми отримуємо інше визначення світла. Це дуже вузький діапазон електромагнітного випромінювання, яке можуть бачити наші очі. Іншими словами, світ — це суб’єктивний ярлик, який ми використовуємо тільки внаслідок обмеженості наших органів почуттів.

Якщо вам потрібні більш детальні докази того, наскільки суб’єктивно наше сприйняття кольору, згадайте веселку. Більшість людей знають, що спектр світла містить сім основних кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий. У нас навіть є зручні прислів’я та приказки про мисливців, які бажають знати місце знаходження фазана. Подивіться на хорошу веселку і спробуйте розгледіти всі сім. Це не вдалося навіть Ньютону. Вчені підозрюють, що вчений розділив веселку на сім кольорів, оскільки число «сім» було дуже важливим для стародавнього світу: сім нот, сім днів тижня і т. п.

Робота Максвелла в області електромагнетизму завела нас далі і показала, що видимий світ був частиною широкого спектру радіації. Також стала зрозуміла справжня природа світла. Протягом віків вчені намагалися зрозуміти, яку насправді форму приймає світло на фундаментальних масштабах, поки рухається від джерела світла до нашим очам.

Деякі вважали, що світ рухається у формі хвиль або брижі, через повітря або загадковий «ефір». Інші думали, що ця хвильова модель хибна, і вважали світло потоком крихітних частинок. Ньютон схилявся до другого думку, особливо після серії експериментів, які він провів зі світлом і дзеркалами.

Він зрозумів, що промені світла підпорядковуються суворим геометричним правилами. Промінь світла, відбитий в дзеркалі, веде себе подібно кульці, кинутому прямо в дзеркало. Хвилі не обов’язково будуть рухатися за цим передбачуваним прямим лініям, Ньютон припустив, тому світ повинен переноситися деякою формою крихітних безмассовых частинок.

Проблема в тому, що були однаково переконливі докази того, що світло являє собою хвилю. Одна з найбільш наочних демонстрацій цього було проведено в 1801 році. Експеримент з подвійною щілиною Томаса Юнга, в принципі, можна провести самостійно вдома.

Візьміть аркуш товстого картону і акуратно зробіть у ньому два тонких вертикальних розрізу. Потім візьміть джерело когерентного» світла, який буде випромінювати світло тільки певної довжини хвилі: лазер відмінно підійде. Потім направте світло на дві щілини, щоб проходячи їх він падав на іншу поверхню.

Ви очікуєте побачити на другий поверхні дві яскравих вертикальних лінії на тих місцях, де світ пройшов через щілини. Але коли Юнг провів експеримент, він побачив послідовність світлих і темних ліній, як на штрих-коді.

Коли світло проходить через тонкі щілини, він веде себе подібно водяним хвиль, які проходять через вузький отвір: вони розсіюються і поширюються в напівсферичної формі брижів.

Коли світло проходить через дві щілини, кожна хвиля гасить іншу, утворюючи темні ділянки. Коли ж брижі сходиться, вона доповнюється, утворюючи яскраві вертикальні лінії. Експеримент Юнга буквально підтвердив хвильову модель, тому Максвелл наділив цю ідею в тверду математичну форму. Світло — це хвиля.

Але потім сталася квантова революція.

У другій половині дев’ятнадцятого століття, фізики намагалися з’ясувати, як і чому деякі матеріали абсорбують і випромінюють електромагнітне випромінювання краще за інших. Варто зазначити, що тоді электросветовая промисловість тільки розвивалася, тому матеріали, які можуть випромінювати світло, були серйозною штукою.

До кінця дев’ятнадцятого століття вчені виявили, що кількість електромагнітного випромінювання, що випускається об’єктом, змінюється в залежності від його температури, і виміряли ці зміни. Але ніхто не знав, чому так відбувається. У 1900 році Макс Планк вирішив цю проблему. Він з’ясував, що розрахунки можуть пояснити ці зміни, але тільки якщо допустити, що електромагнітне випромінювання передається крихітними дискретними порціями. Планк називав їх «кванта», множина латинського «квантум». Через кілька років Ейнштейн взяв його ідеї за основу і пояснив інший дивний експеримент.

Фізики виявили, що шматок металу стає позитивно зарядженим, коли опромінюється видимим або ультрафіолетовим світлом. Цей ефект був названий фотоелектричним.

Атоми в металі втрачали негативно заряджені електрони. Судячи з усього, світло доставляв достатньо енергії металу, щоб той випустив частина електронів. Але чому електрони так робили, було незрозуміло. Вони могли переносити більше енергії, просто змінивши колір світла. Зокрема, електрони, випущені металом, опроміненим фіолетовим світлом, переносили більше енергії, ніж електрони, випущені металом, опроміненим червоним світлом.

Якби світ був просто хвилею, це було б безглуздо.

Зазвичай ви змінюєте кількість енергії хвилі, роблячи її вище — уявіть собі високу цунамі руйнівної сили — а не довше або коротше. У більш широкому сенсі, найкращий спосіб збільшити енергію, яку світло передає електронам, це зробити хвилю світла вище: тобто зробити світ яскравішим. Зміна довжини хвилі, а значить і світла, не повинно було нести особливої різниці.

Ейнштейн зрозумів, що фотоелектричний ефект простіше зрозуміти, якщо уявити світ у термінології планківських квантів.

Він припустив, що світло переноситься крихітними квантовими порціями. Кожен квант переносить порцію дискретної енергії, пов’язаної з довжиною хвилі: чим коротше довжина хвилі, тим щільніше енергія. Це могло б пояснити, чому порції фіолетового світла з відносно короткою довжиною хвилі переносять більше енергії, ніж порції червоного світла, з відносно великою довжиною.

Також це пояснило б, чому просте збільшення яскравості світла не особливо впливає на результат.

Світло яскравіше доставляє більше порцій світла до металу, але це не змінює кількість енергії, переносимої кожною порцією. Грубо кажучи, одна порція фіолетового світла може передати більше енергії одному електрону, ніж багато порцій червоного світла.

Ейнштейн назвав ці порції енергії фотонами і в даний час їх визнали фундаментальними частинками. Видиме світло переноситься фотонами, інші види електромагнітного випромінювання подібне до рентгенівського, мікрохвильового і радіохвильового — теж. Іншими словами, світ — це частинка.

На цьому фізики вирішили покласти край дебатам на тему того, з чого складається світ. Обидві моделі були настільки переконливими, що відмовлятися від одного не було ніякого сенсу. На подив багатьох нефизиков, вчені вирішили, що світло поводить себе одночасно як частинка і як хвиля. Іншими словами, світ — це парадокс.

При цьому у фізиків не виникло проблем з роздвоєнням особистості світла. Це якоюсь мірою зробило світло корисним подвійно. Сьогодні, спираючись на роботи світил в прямому сенсі слова — Максвелл і Ейнштейн, — ми вичавлюємо з світу.

Виявляється, що рівняння, які використовуються для опису світу-хвилі і світла-частинки, працюють однаково добре, але в деяких випадках одне простіше використовувати, ніж інше. Тому фізики перемикаються між ними, приблизно як ми використовуємо метри, описуючи власний зріст, і переходимо на кілометри, описуючи поїздку на велосипеді.

Деякі фізики намагаються використовувати світло для створення зашифрованих каналів зв’язку, для грошових переказів, наприклад. Для них має сенс думати про світло як про частинках. Виною всьому дивна природа квантової фізики. Дві фундаментальні частинки, як пари фотонів, можуть бути «заплутані». Це означає, що вони будуть мати загальні властивості незалежно від того, як будуть далекі один від одного, тому їх можна використовувати для передачі інформації між двома точками на Землі.

Ще одна особливість цієї заплутаності в тому, що квантовий стан фотонів змінюється, коли їх зчитують. Це означає, що якщо хтось спробує підслухати зашифрований канал, в теорії, він відразу видасть свою присутність.

Інші, як Гулильмакис, використовують світло в електроніці. Їм корисно уявляти світ у вигляді серії хвиль, які можна приручити і контролювати. Сучасні пристрої під назвою «синтесайзеры світлового поля» можуть зводити світлові хвилі в ідеальній синхронності один з одним. В результаті вони створюють світлові імпульси, які більш інтенсивні, короткочасні і спрямовані, ніж світло звичайної лампи.

За останні 15 років ці пристрої навчилися використовувати для приручення світла з надзвичайною ступенем. У 2004 році Гулильмакис і його колеги навчилися виробляти неймовірно короткі імпульси рентгенівського випромінювання. Кожен імпульс тривав всього 250 аттосекунд, або 250 квинтиллионных секунди.

Використовуючи ці крихітні імпульси як спалах фотоапарата, вони змогли зробити знімки окремих хвиль видимого світла, які коливаються набагато повільніше. Вони зробили знімки рухомого світла.

«Ще з часів Максвелла ми знали, що світло — це осциллирующее електромагнітне поле, але ніхто навіть і подумати не міг, що ми можемо зробити знімки осциллируючих світу», — говорить Гулильмакис.

Спостереження за цими окремими хвилями світла стало першим кроком у напрямку до управління і зміни світу, каже він, подібно до того, як ми змінюємо радіохвилі для перенесення радіо — і телевізійних сигналів.

Сто років тому фотоелектричний ефект показав, що видиме світло впливає на електрони в металі. Гулильмакис говорить, що повинна бути можливість точно контролювати ці електрони, використовуючи хвилі видимого світла, змінені таким чином, щоб взаємодіяти з металом чітко визначеним чином. «Ми можемо керувати світлом і з його допомогою управляти матерією», — говорить він.

Це може зробити революцію в електроніці, привести до нового покоління оптичних комп’ютерів, які будуть менше і швидше. «Ми зможемо рухати електронами як заманеться, створюючи електричні струми всередині твердих речовин з допомогою світла, а не як у звичайній електроніці».

Ось ще один спосіб описати світ: це інструмент.

Втім, нічого нового. Життя використовувала світло ще з тих пір, коли перші примітивні організми розвинули світлочутливі тканини. Очі людей вловлюють фотони видимого світла, ми використовуємо їх для вивчення світу навколо. Сучасні технології ще далі відводять цю ідею. У 2014 році Нобелівська премія з хімії була присуджена дослідникам, які побудували настільки потужний світловий мікроскоп, що він вважався фізично неможливим. Виявилося, що якщо постаратися, світло може показати нам речі, які ми думали ніколи не побачимо.