Hän on ympärillämme ja antaa meidän nähdä maailman. Mutta kysy keneltä tahansa meistä, ja useimmat eivät pysty selittämään, mikä tämä valo todella on. Valo auttaa meitä ymmärtämään maailmaa, jossa elämme. Kielemme heijastaa tätä: pimeydessä liikkumme kosketuksella, alamme nähdä valoa yhdessä aamunkoiton kanssa. Ja silti olemme kaukana täydellisestä valon ymmärtämisestä. Jos tuot valonsäteen lähemmäksi, mitä siinä on? Kyllä, valo liikkuu uskomattoman nopeasti, mutta eikö sitä voi käyttää matkustamiseen? Ja niin edelleen.
Näin ei tietenkään pidä olla. Valo on hämmentänyt parhaita mieliä vuosisatojen ajan, mutta viimeisten 150 vuoden merkittävät löydöt ovat vähitellen nostaneet mysteerin verhoa tämän mysteerin yli. Nyt ymmärrämme enemmän tai vähemmän mikä se on.
Aikamme fyysikot paitsi ymmärtävät valon luonnetta myös yrittävät hallita sitä ennennäkemättömällä tarkkuudella - mikä tarkoittaa, että valo voidaan saada pian toimimaan hämmästyttävimmällä tavalla. Tästä syystä Yhdistyneet Kansakunnat on nimittänyt vuoden 2015 kansainväliseksi valon vuodeksi.
Valoa voidaan kuvata kaikilla tavoilla. Mutta kannattaa aloittaa tällä: valo on eräänlainen säteily (säteily). Ja tällä vertailulla on järkeä. Tiedämme, että liiallinen auringonvalo voi aiheuttaa ihosyövän. Tiedämme myös, että säteilyaltistus voi altistaa sinut tietyille syöpämuodoille; on helppo vetää rinnakkaisuuksia.
Mutta kaikkia säteilyn muotoja ei luoda tasa-arvoisia. 1800-luvun lopulla tutkijat pystyivät määrittämään valonsäteilyn tarkan olemuksen. Ja kummallisinta on, että tämä löytö ei tullut valon tutkimuksesta, vaan se tuli vuosikymmenien ajan tehdystä työstä sähkön ja magneettisuuden luonteeseen.
Sähkö ja magneettisuus näyttävät olevan täysin erilaisia asioita. Mutta tutkijat, kuten Hans Christian Oersted ja Michael Faraday, ovat huomanneet, että he ovat syvästi toisiinsa. Oersted huomasi, että langan läpi kulkeva sähkövirta taipuu magneettisen kompassin neulan. Samaan aikaan Faraday huomasi, että magneetin siirtäminen lähelle lankaa voi tuottaa sähkövirran langassa.
Tuon päivän matemaatikot loivat näiden havaintojen avulla teorian, joka kuvaa tätä outoa uutta ilmiötä, jota he kutsuivat "sähkömagneettisuudeksi". Mutta vain James Clerk Maxwell pystyi kuvaamaan kokonaiskuvaa.
Maxwellin panosta tieteeseen voidaan tuskin yliarvioida. Maxwellin innoittama Albert Einstein sanoi muuttaneensa maailman ikuisesti. Hänen laskelmansa auttoivat meitä muun muassa ymmärtämään, mikä valo on.
Mainosvideo:
Maxwell osoitti, että sähkö- ja magneettikentät kulkevat aalloissa, ja nämä aallot kulkevat valon nopeudella. Tämä antoi Maxwellille mahdollisuuden ennustaa, että valoa itse kuljettavat sähkömagneettiset aallot - mikä tarkoittaa, että valo on sähkömagneettisen säteilyn muoto.
1880-luvun lopulla, useita vuosia Maxwellin kuoleman jälkeen, saksalainen fyysikko Heinrich Hertz osoitti ensimmäisenä virallisesti Maxwellin teoreettisen käsityksen sähkömagneettisesta aallosta.
"Olen varma, että jos Maxwell ja Hertz asuisivat Nobelin palkinnon aikakaudella, he varmasti saisivat sellaisen", sanoo Graham Hall Aberdeenin yliopistosta Isossa-Britanniassa - jossa Maxwell työskenteli 1850-luvun lopulla.
Maxwell sijoittuu valotieteen vuosikirjoihin erilaisesta, käytännöllisemmästä syystä. Vuonna 1861 hän esitteli ensimmäisen vakaan värivalokuvauksen kolmivärisuodatinjärjestelmällä, joka loi perustan monille nykypäivän värivalokuvauksen muodoille.
Pelkkä lause, että valo on sähkömagneettisen säteilyn muoto, ei sano paljon. Mutta se auttaa kuvaamaan, mitä me kaikki ymmärrämme: valo on väripaletti. Tämä havainto palaa Isaac Newtonin työhön. Näemme värispektrin kaikessa loistossaan, kun sateenkaari nousee taivaalle - ja nämä värit liittyvät suoraan Maxwellin käsitteeseen sähkömagneettisista aalloista.
Punainen valo sateenkaaren toisessa päässä on sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on 620 - 750 nanometriä; violetti väri toisessa päässä on säteilyä, jonka aallonpituus on 380 - 450 nm. Mutta sähkömagneettisessa säteilyssä on enemmän kuin näkyvät värit. Valoa, jonka aallonpituus on pidempi kuin punainen, kutsumme infrapunaksi. Valoa, jonka aallonpituus on violettia lyhyempi, kutsutaan ultraviolettivaloksi. Monet eläimet näkevät ultraviolettivalossa, ja jotkut ihmiset näkevät myös, sanoo Eleftherios Gulilmakis Max Planckin kvanttioptiikan instituutista Garchingissa Saksassa. Joissakin tapauksissa ihmiset näkevät jopa infrapunaa. Ehkä siksi emme ole yllättyneitä siitä, että kutsumme ultravioletti- ja infrapunavalomuotoja.
Kummallista on kuitenkin, että jos aallonpituudet lyhenevät tai pitenevät, lopetamme niiden kutsumisen "valoksi". Ultraviolettien ulkopuolella sähkömagneettiset aallot voivat olla alle 100 nm. Tämä on röntgensäteiden ja gammasäteiden valtakunta. Oletko koskaan kuullut, että röntgensäteitä kutsutaan valomuodoksi?
"Tutkija ei sano" loistan kohteen läpi röntgenvalolla ". Hän sanoo "Käytän röntgensäteitä", sanoo Gulilmakis.
Infrapuna- ja sähkömagneettisten aallonpituuksien ulkopuolella aallot ulottuvat jopa 1 cm: iin ja jopa tuhansiin kilometreihin. Tällaisia sähkömagneettisia aaltoja kutsutaan mikroaalloksi tai radioaalloksi. Joillekin voi tuntua oudolta havaita radioaaltoja valona.
"Radioaaltojen ja näkyvän valon välillä ei ole paljon fyysistä eroa fysiikan kannalta", Gulilmakis sanoo. "Kuvailet niitä samoilla yhtälöillä ja matematiikalla." Vain jokapäiväinen havaintomme erottaa heidät.
Siten saamme erilaisen määritelmän valolle. Tämä on hyvin kapea sähkömagneettisen säteilyn alue, jonka silmämme näkevät. Toisin sanoen valo on subjektiivinen etiketti, jota käytämme vain aistimme rajoitusten takia.
Jos haluat yksityiskohtaisemman todistuksen siitä, kuinka subjektiivinen käsitys väristä on, ajattele sateenkaarta. Useimmat ihmiset tietävät, että valonspektri sisältää seitsemän pääväriä: punainen, oranssi, keltainen, vihreä, syaani, sininen ja violetti. Meillä on jopa käteviä sananlaskuja ja sanontoja metsästäjistä, jotka haluavat tietää, missä fasaani on. Katso kiva sateenkaari ja yritä nähdä kaikki seitsemän. Jopa Newton ei onnistunut. Tutkijat epäilevät, että tutkija jakoi sateenkaaren seitsemään väriin, koska luku "seitsemän" oli antiikin maailmalle erittäin tärkeä: seitsemän nuottia, seitsemän viikonpäivää jne.
Maxwellin sähkömagneettinen työ vei meidät askeleen pidemmälle ja osoitti, että näkyvä valo oli osa laajaa säteilyspektriä. Myös valon todellinen luonne kävi selväksi. Vuosisatojen ajan tutkijat ovat yrittäneet ymmärtää, minkä muodon valo todella ottaa perustavanlaatuisessa mittakaavassa kulkiessaan valonlähteestä silmiin.
Jotkut uskoivat, että valo liikkuu aaltojen tai väreiden muodossa ilman tai salaperäisen "eetterin" läpi. Toisten mielestä tämä aaltomalli oli virheellinen ja pitivät valoa pienien hiukkasten virtana. Newton nojautui jälkimmäiseen mielipiteeseen, varsinkin useiden kokeiden jälkeen, jotka hän suoritti valolla ja peileillä.
Hän tajusi, että valonsäteet noudattavat tiukkoja geometrisia sääntöjä. Peiliin heijastuva valonsäde käyttäytyy kuin pallo, joka heitetään suoraan peiliin. Aallot eivät välttämättä seuraa näitä ennustettavia suoria viivoja, Newton ehdotti, joten valon on oltava jonkinlaisten pienien, massattomien hiukkasten kuljettamia.
Ongelmana on, että on ollut yhtä vakuuttavaa näyttöä siitä, että valo on aalto. Yksi selvimmistä mielenosoituksista oli vuonna 1801. Thomas Youngin kaksinkertainen rako-kokeilu voidaan periaatteessa tehdä itsenäisesti kotona.
Ota arkki paksua pahvia ja leikkaa siihen varovasti kaksi ohutta pystysuoraa leikkausta. Ota sitten "koherentti" valonlähde, joka lähettää vain tietyn aallonpituuden valoa: laser on hieno. Suuntaa sitten valo kahteen rakoon niin, että se kulkee läpi, putoaa toiselle pinnalle.
Voit odottaa näkevän kaksi kirkasta pystysuoraa viivaa toisella pinnalla, jossa valo on kulkenut rakojen läpi. Mutta kun Jung teki kokeen, hän näki sarjan vaaleat ja tummat viivat kuin viivakoodi.
Kun valo kulkee ohuiden rakojen läpi, se käyttäytyy kuin vesiaallot, jotka kulkevat kapean aukon läpi: ne hajoavat ja leviävät puolipallon muotoisina aaltoina.
Kun tämä valo kulkee kahden raon läpi, jokainen aalto vaimentaa toista muodostaen tummia läikkäjä. Kun aaltoilu lähentyy, se täydentää muodostaen kirkkaita pystysuoria viivoja. Youngin kokeilu vahvisti kirjaimellisesti aaltomallin, joten Maxwell asetti idean kiinteään matemaattiseen muotoon. Valo on aalto.
Mutta sitten tapahtui kvanttivallankumous
1800-luvun jälkipuoliskolla fyysikot yrittivät selvittää, miten ja miksi jotkut materiaalit absorboivat ja lähettävät sähkömagneettista säteilyä paremmin kuin toiset. On huomattava, että tuolloin sähköinen kevyt teollisuus oli vasta kehittymässä, joten valoa säteilevät materiaalit olivat vakava asia.
Yhdeksästoista vuosisadan loppupuolella tutkijat havaitsivat, että kohteen lähettämän sähkömagneettisen säteilyn määrä muuttui lämpötilan mukana, ja he mittaivat nämä muutokset. Mutta kukaan ei tiennyt, miksi näin tapahtui. Vuonna 1900 Max Planck ratkaisi tämän ongelman. Hän havaitsi, että laskelmat voivat selittää nämä muutokset, mutta vain, jos oletamme, että sähkömagneettista säteilyä välitetään pieninä erillisinä osina. Planck kutsui heitä "kvanteiksi", monikon latinaksi "kvantiksi". Muutamaa vuotta myöhemmin Einstein otti ajatuksensa perustaksi ja selitti toisen yllättävän kokeen.
Fyysikot ovat havainneet, että metalliosasta tulee positiivinen varaus, kun sitä säteilytetään näkyvällä tai ultraviolettivalolla. Tätä vaikutusta on kutsuttu aurinkosähköksi.
Metallin atomit menettivät negatiivisesti varautuneita elektroneja. Ilmeisesti valo toimitti metalliin riittävästi energiaa, jotta se vapautti osan elektronista. Mutta miksi elektronit tekivät tämän, ei ollut selvää. Ne voisivat kuljettaa enemmän energiaa yksinkertaisesti muuttamalla valon väriä. Erityisesti violetilla valolla säteilytetyn metallin vapauttamat elektronit kuljettivat enemmän energiaa kuin punaisella valolla säteilytetty metalli.
Jos valo olisi vain aalto, se olisi naurettavaa
Yleensä muutat aallon energiamäärää, jolloin se on korkeampi - kuvitella tuhoavan voiman korkea tsunami - eikä pidempi tai lyhyempi. Laajemmin katsottuna paras tapa lisätä valoa elektronille siirtyvää energiaa on tehdä valoaalto korkeammaksi: eli tehdä valosta kirkkaampi. Aallonpituuden ja siten valon muuttamisella ei olisi pitänyt olla paljon eroa.
Einstein tajusi, että valosähköinen vaikutus on helpompi ymmärtää, jos edustat valoa Planckin kvanttien terminologiassa.
Hän ehdotti, että valoa kantavat pienet kvanttipalat. Jokainen kvantti kantaa osan erillisestä energiasta, joka liittyy aallonpituuteen: mitä lyhyempi aallonpituus, sitä tiheämpi energia. Tämä voisi selittää, miksi violetin valon suhteellisen lyhyet aallonpituudet kuljettavat enemmän energiaa kuin punaisen valon suhteellisen pitkät osat.
Se selittää myös, miksi pelkkä valon kirkkauden lisääminen ei oikeastaan vaikuta tulokseen.
Kirkkaampi valo toimittaa enemmän osia valoa metallille, mutta se ei muuta kunkin osan kuljettaman energian määrää. Karkeasti ottaen yksi osa violettia valoa voi siirtää enemmän energiaa yhdelle elektronille kuin monet punaisen valon osat.
Einstein kutsui näitä energian osia fotoneiksi, ja nyt ne tunnistetaan perushiukkasiksi. Näkyvää valoa kantavat fotonit, ja myös muita sähkömagneettisen säteilyn muotoja, kuten röntgensäteitä, mikroaaltouuneja ja radioaaltoja. Toisin sanoen valo on hiukkanen.
Tällä tavoin fyysikot päättivät lopettaa keskustelun siitä, mistä valo koostuu. Molemmat mallit olivat niin vakuuttavia, että niistä ei ollut mitään syytä luopua. Monien ei-fyysikkojen yllätykseksi tutkijat ovat päättäneet, että valo käyttäytyy samalla tavalla kuin hiukkanen ja aalto. Toisin sanoen valo on paradoksi.
Samaan aikaan fyysikoilla ei ollut ongelmia valon persoonallisuuden jakautumisen kanssa. Tämä on jossain määrin tehnyt valosta kaksinkertaisen hyödyllisen. Luotamme valaisimien työhön sanan kirjaimellisessa merkityksessä - Maxwell ja Einstein - puristamme kaiken pois valosta.
On käynyt ilmi, että yhtälöt, joita käytetään kuvaamaan valoaaltoja ja valopartikkeleita, toimivat yhtä hyvin, mutta joissakin tapauksissa yhtä on helpompi käyttää kuin toista. Joten fyysikot vaihtavat niiden välillä, aivan kuten käytämme mittareita kuvaamaan omaa korkeutta, ja siirtyvät kilometreihin kuvaamaan pyöräretkeä.
Jotkut fyysikot yrittävät käyttää valoa salattujen viestintäkanavien luomiseen esimerkiksi rahansiirtoon. Heille on järkevää ajatella valoa hiukkasina. Tämä johtuu kvanttifysiikan oudosta luonteesta. Kaksi perushiukkasia, kuten fotonipari, voidaan "sotkeutua". Tämä tarkoittaa, että niillä on yhteisiä ominaisuuksia riippumatta siitä, kuinka kaukana ne ovat toisistaan, joten niitä voidaan käyttää tietojen siirtämiseen kahden maanpisteen välillä.
Tämän takertumisen toinen piirre on, että fotonien kvanttitila muuttuu, kun ne luetaan. Tämä tarkoittaa sitä, että jos joku yrittää salakuunnella salattua kanavaa, hän teoriassa heti pettää läsnäolonsa.
Toiset, kuten Gulilmakis, käyttävät valoa elektroniikassa. Heidän mielestään on hyödyllisempää edustaa valoa aaltosarjana, jota voidaan kesyttää ja hallita. Nykyaikaiset laitteet, joita kutsutaan valokenttäsyntetisaattoreiksi, voivat tuoda valoaallot yhteen täydellisessä synkronoinnissa keskenään. Seurauksena on, että ne luovat voimakkaampia, lyhytaikaisempia ja suuntaavampia valopulsseja kuin tavallisen lampun valo.
Viimeisten 15 vuoden aikana näitä laitteita on opittu käyttämään valon kesyttämiseen äärimmäisessä määrin. Vuonna 2004 Gulilmakis ja hänen kollegansa oppivat tuottamaan uskomattoman lyhyitä röntgensäteitä. Jokainen pulssi kesti vain 250 attosekuntia eli 250 kvintiljoonaa sekuntia.
Käyttämällä näitä pieniä pulsseja kuten kameran salama, he pystyivät kaappaamaan kuvia yksittäisistä näkyvän valon aaltoista, jotka värisevät paljon hitaammin. He ottivat kirjaimellisesti kuvia liikkuvasta valosta.
"Maxwellin ajasta lähtien tiesimme, että valo on värähtelevä sähkömagneettinen kenttä, mutta kukaan ei edes ajatellut, että voisimme ottaa kuvia heiluvasta valosta", Gulilmakis sanoo.
Näiden yksittäisten valoaaltojen havaitseminen oli ensimmäinen askel kohti valon manipulointia ja muokkaamista, hän sanoo, aivan kuten muuttaisimme radioaaltoja radio- ja televisiosignaalien kuljettamiseksi.
Vuosisata sitten valosähköinen vaikutus osoitti, että näkyvä valo vaikuttaa metallin elektroneihin. Gulilmakis sanoo, että näiden elektronien pitäisi olla mahdollista hallita tarkasti käyttämällä näkyviä valoaaltoja, jotka on modifioitu vuorovaikutuksessa metallin kanssa hyvin määritellyllä tavalla. "Voimme manipuloida valoa ja käyttää sitä aineen manipulointiin", hän sanoo.
Tämä voi mullistaa elektroniikan, johtaa uuden sukupolven optisiin tietokoneisiin, jotka ovat pienempiä ja nopeampia kuin meidän. "Voimme liikuttaa elektroneja haluamallamme tavalla, luomalla valovirran avulla kiinteitä aineita sähkövirtoihin, emmekä tavalliseen elektroniikkaan."
Tässä on toinen tapa kuvata valoa: se on instrumentti
Ei kuitenkaan mitään uutta. Elämä on käyttänyt valoa siitä lähtien, kun ensimmäiset alkukantaiset organismit kehittivät valolle herkkiä kudoksia. Ihmisten silmät vangitsevat näkyvän valon fotoneja, tutkimme niitä ympäröivää maailmaa. Moderni tekniikka vie tämän idean vielä pidemmälle. Vuonna 2014 Nobelin kemian palkinto myönnettiin tutkijoille, jotka rakensivat valomikroskoopin niin voimakkaaksi, että sitä pidettiin fyysisesti mahdottomana. Kävi ilmi, että jos yritämme, valo voi näyttää meille asioita, joita luulemme koskaan näkevämme.