Що таке світло?

Ми можемо самі зателефонувати одержувачу. Але запитайте будь-який з нас, і більшість не зможе пояснити, що це світло дійсно є. Світло допомагає нам зрозуміти світ, який ми живемо. Наша мова відображає це: в темряві ми переходимо на дотик, світло ми починаємо бачити з світом. Але ми далеко від повного розуміння світла. Якщо підходити до світла, що буде в ньому? Так, не варто використовувати для подорожі? І так і так далі.



Звісно, це не так. Світло загадав кращих думок за століттями, але визначні пам'ятки виявляють над минулим 150 років поступово піднялися вівці таємничості. Тепер ми більш-менш розуміємо, що це таке.

Лікарі сьогодні не тільки розуміють характер світла, але і намагаються контролювати його безпрецедентною точністю – і тому світло може дуже скоро бути зроблено для роботи в найбільш дивовижному вигляді. З цієї причини Організації Об'єднаних Націй задекларувала 2015 рік Міжнародний рік світла.

Світло можна описати у всіх видах способів. Але почати з, світло - це форма випромінювання. І що порівняння має сенс. Ми знаємо, що надлишок сонячного світла може викликати рак шкіри. Ми також знаємо, що радіаційний вплив може викликати деякі форми раку для розвитку; паралелі не складно малювати.





Не всі форми випромінювання однакові. В кінці 19 століття вчені змогли визначити точну сутність світлового випромінювання. І дивно, що це відкриття не приходило з вивчення світла, але прийшла з десятків років роботи на природі електроенергії і магнетизму.

Електроенергія і магнітізм дуже різні речі. Але вчені, як Крістіан Орсд і Михайло Фарадай, що два глибоко переплітаються. Виявлено, що електричний струм, що проходить через дріт, відхилений голкою магнітного компаса. Тим часом Faraday виявив, що переміщення магніту біля дроту може генерувати електричний струм в дроті.

Математика дня використовували ці спостереження для створення теорії, що описує це дивне нове явище, яке вони називають «електромагнетизмом». Але тільки Джеймс Клерк Максвелл зміг пофарбувати повну картину.

Внесок Максвелла до науки не може бути переповнений. Альберт Ейнштейн, який був натхненний Maxwell, сказав він змінив світ назавжди. Серед інших речей, його розрахунки допомогли зрозуміти, що світло.





Maxwell показав, що електричні і магнітні поля переміщаються у вигляді хвиль, і ці хвилі рухаються на швидкості світла. Це дозволило Максвелл прогнозувати, що світло себе здійснюється електромагнітними хвилями — значення, що світло є формою електромагнітного випромінювання.

У кінці 1880-х років після смерті Максвелла, німецький фізик Хенріх Герц був першим, щоб офіційно продемонструвати, що теоретична концепція електромагнітної хвилі Максвелл був правильним.

«Я впевнений, що якщо Максвелл і Герц мешкали в нобелі, то вони обов'язково отримають один», – розповідає Грахам Хол Університету Абердін у Великобританії – де Максвелл працював в кінці 1850-х.

Maxwell займає місце в літописі науки світла ще одна, більш практична причина. У 1861 році він відобразив першу стійку кольорову фотографію, отриману за допомогою триколорної фільтрувальної системи, яка заклала основу для багатьох форм кольорової фотографії сьогодні.





Дуже фраза, що світло є формою електромагнітного випромінювання не говорить багато. Але це допомагає описати те, що ми всі розуміємо: світло - це спектр кольорів. Цей огляд датується роботою Ісаак Ньютона. Ми бачимо колірний спектр у всій своїй славі, коли дощовик піднімається в небо – і ці кольори безпосередньо пов’язані з концептом електромагнітних хвиль Maxwell.

Червоний світло в одному кінці веселки є електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі 620 до 750 нанометрів; фіолетовий колір в іншому кінці випромінювання з довжиною хвилі 380 до 450 нм. Але є більш електромагнітне випромінювання, ніж видимі кольори. Світло з довжиною хвилі довше, ніж червоний називається інфрачервоним. Світло з довжиною хвилі коротше фіолетового називається ультрафіолетом. Багато тварин можуть бачити в ультрафіолеті, деякі люди можуть, теж, говорить Єлівгеріос Гуілмакіс Макс Планк інститут квантових оптики у Гарбінгі, Німеччина. У деяких випадках люди можуть навіть бачити інфрачервоні. Ось чому ми не дивуємо, що ми називаємо ультрафіолет і інфрачервоні форми світла.

Звісно, однак, якщо довжини хвилі настає коротше або довше, ми зупиняємось, викликаючи їх світло. Надфіолет, електромагнітні хвилі можуть бути коротшими, ніж 100 нм. Це царство рентгенівських променів і гамм. Ви коли-небудь чули про рентгенівські промені, які називають формою світла?





Вчений не скажеш, «Я сяю через об’єкт з рентгенівським світлом». Він сказав: "Я користуюсь рентгенівськими променями", - розповідає Гуілмакіс.

Тим не менш, за інфрачервоні і електромагнітні довжини хвиль, довжина хвилі простягається до 1 см і навіть до тисяч кілометрів. Ці електромагнітні хвилі називають мікрохвильовою піччю або радіохвилями. Здавалося б, дивний погляд на радіохвилі як світло.

«Не існує особливої фізичної різниці радіохвилин і видимого світла з точки зору фізики», - сказав Гуілмакіс. Ви описуєте їх з однаковими рівнями та математикою. Тільки наші повсякденні сприйняття відрізняють їх.

Так ми отримуємо різне визначення світла. Це дуже вузький діапазон електромагнітного випромінювання, який можна побачити наші очі. З іншого боку, світло є предметною міткою, яку ми використовуємо тільки через обмеження наших почуттів.

Якщо ви хочете дізнатися більше про те, як піддається нашому сприйняттю кольору, розгляньте веселку. Більшість людей знають, що спектр світла містить сім основних кольорів: червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, синій і фіолетовий. Ми можемо самі зателефонувати одержувачу. Дивись на хорошу веселку і див. всі сім. Не навіть Ньютон вдалося. Вчені підозрюють, що вчений поділився на сьомий колір, оскільки число «сім» було дуже важливим для давнього світу: сім нот, сім днів тижня і т.д.





У зв'язку з технологічними роботами в електромагнетизмі ми з’ясували, що видиме світло було частиною широкого спектру випромінювання. Справжня природа світла також зрозуміла. Протягом століть вчені намагаються зрозуміти, яка форма світла фактично бере на фундаментальні ваги, оскільки вона йде від джерела світла до наших очей.

Деякі вірили, що світло подорожує у вигляді хвиль або рифів, через повітря або таємничий «все». Інші думали, що ця хвиля модель була неправильною, і думав світло був струмом крихітних частинок. Ньютон пригнічений до другої думки, особливо після ряду експериментів, які він провів з легкими і дзеркалами.





Він усвідомив, що промені світлого обіє строгі геометричні правила. Промінь світла відбивається в дзеркалах, як кулька кидається безпосередньо в дзеркало. Хвилі не обов'язково проїдуть по цих передбачуваних прямих лініях, пропонованих Newton, тому світло доведеться перевозити деякі форми крихітних безмасових частинок.

Проблемою є те, що є однаково сильні докази, що світло є хвилю. Одним з найбільш відомих демонстрацій цього був 1801 р. подвійний експеримент Томаса Юнга може, в принципі, бути зроблено в домашніх умовах.

Візьміть лист товстого картону і акуратно зробіть два тонких вертикальні розрізи в ньому. Потім введіть джерело світла «когерент», який випромінить тільки світло певної довжини хвилі: лазер ідеально підходить. Потім направляйте світло на два розрізи, щоб вона падає на іншу поверхню.

Ви очікуєте, щоб побачити дві яскраві вертикальні лінії на другій поверхні, де світло пропущено через ситі. Але коли Jung зробив експеримент, він бачив послідовність світлих і темних ліній, як штрих-код.





Коли світло проходить через тонкі розрізи, вона поводиться як водяні хвилі, які проходять через вузьке отвір: вони розсіюють і пропагують у вигляді напівсферних рифів.

Коли це світло проходить через два розрізи, кожна хвиля виділяє інші, формуючи темні ділянки. Коли жопи конвержуть, доповнюється, утворюючи яскраві вертикальні лінії. Важкий експеримент буквально підтвердив модель хвилі, тому Maxwell покладав цю ідею в твердій математичній формі. Світло - хвиля.





А потім з'явилася квантова революція.

У другій половині ХІХ ст. фізики намагалися розібратися, як і чому деякі матеріали поглинають і випромінюють електромагнітне випромінювання краще інших. Варто відзначити, що після створення електросвітлювальної промисловості, тому матеріали, які можуть випромінювати світло, були серйозною.

До кінця ХІХ ст. вчені виявили, що кількість електромагнітного випромінювання, що випромінюється об'єктом, змінюється з його температурою, і вимірювалися ці зміни. Але ніхто не знав, чому це сталося. У 1900 році Max Planck вирішив цю проблему. Він виявив, що розрахунки можуть пояснити ці зміни, але тільки якщо електромагнітне випромінювання було передано в крихітні дискретні порції. Планк назвав їх «квантою» плечовою латинською «кількістю». Через кілька років Ейнштейн взяв свої ідеї як основу і пояснив ще один дивовижний експеримент.

Фізиканти виявили, що шматочок металу стає позитивно зарядженим при впливі видимого або ультрафіолетового світла. Цей ефект називається фотоелектрика.

Атоми в металі втратили негативно заряджені електрони. Світло, очевидно, доставило достатню кількість енергії до металу, щоб звільнити деякі електрони. Але чому електрони це незнімало. Вони можуть носити більше енергії, просто змінюючи колір світла. Зокрема, електрони, випущені металом, опромінюються віолетовим світлом, перевозяться більше енергії, ніж електрони, випущені металом, опромінюють червоним світлом.

Якщо світло було просто хвиля, це буде смішно.

612507



Як правило, ви змінюєте кількість енергії в хвилі, щоб зробити її більшою — уявіть високі циніми руйнівної сили — не довше або коротше. Більш широко, кращий спосіб збільшити енергію, яка світло передає електронам, щоб зробити хвиля світла вище: це, зробити світло яскравіше. Зміна довжини хвилі, і звідти світло, не повинно мати багато різниці.

Ейнштейн реалізував, що фотоелектричний ефект легше зрозуміти, якщо ви уявляєте світло в термінології кванту Планка.

Він запропонував, що світло здійснюється в крихітних квантових порціях. Кожен квантовий несе частину дискретної енергії, пов'язаної з довжиною хвилі: коротше довжини хвилі, щільніше енергії. Це може пояснити, чому порції фіолетового світла з відносно короткими довжинами хвиль переносять більше енергії, ніж порції червоного світла з відносно довгою довжиною хвиль.

Так само пояснюємо, чому просто підвищує яскравість світла не впливає на результат.

Світла яскравіше доставляє більше порцій світла до металу, але це не змінює кількість енергії, що перевозиться по кожній порції. Жорстко кажучи, одна порція фіолетового світла може перенести більше енергії на одну електрону, ніж багато порцій червоного світла.

Ейнштейн назвав ці частини енергетичних фотонів і вони тепер визнані фундаментальними частинками. Незнімний світло здійснюється фотонами, іншими видами електромагнітного випромінювання, такими як рентгенівські, мікрохвильові та радіохвильові хвилі. Іншими словами, світло є частинкою.





Фізіологи вирішили поставити кінець дебатів про те, що світло виконано. І моделі були так переконливі, що не було сенсу відмовитися. До сюрпризу багатьох нефізиків, вчені вирішили, що світяться як частинка, так і як хвиля. Іншими словами, світло є парадоксом.

У той же час фізики не мали проблем з розколою особистості світла. Це зробило легкий купол корисний. Сьогодні, спираючись на роботу світильників в прямому сенсі слова - Maxwell і Einstein - ми віджимаємо все з світла.

Виявляється, що рівняння, які використовуються для опису світло-хвильових і світло-частинкових робіт однаково добре, але в деяких випадках легше використовувати, ніж інші. Так фізики переходять між ними, сорту, як ми використовуємо лічильники, щоб описувати нашу висоту, і ми йдемо на кілометри для опису велосипедної їзди.

Деякі фізики намагаються використовувати світло для створення зашифрованих каналів зв'язку, наприклад, для грошових переказів. Зрозуміло для них думати про світло як частинки. Це через дивний характер квантової фізики. Дві фундаментальні частинки, як пара фотонів, можуть бути заплутані. Це означає, що вони поділяться властивостями незалежно від того, як вони знаходяться, тому вони можуть використовуватися для передачі інформації між двома точками на Землі.

Ще однією особливістю цього заплутаного є те, що квантовий стан фотонів змінюється, коли вони читаються. Це означає, що якщо хтось намагається гасити на зашифрованому каналі, в теорії вони відразу виявлять їх присутність.

Інші, як Guilmakis, використовують світло в електроніці. Чим більше корисно для них уявити світло в якості серії хвиль, які можуть бути використані і контрольованими. Сучасні пристрої, які називаються «легкими польовими синтезаторами», можуть привезти світлові хвилі разом в ідеальному синхроні. В результаті вони створюють світлові імпульси, які більш інтенсивні, короткоживні і спрямовані, ніж світло звичайної лампи.

За останні 15 років ці пристрої дізналися про те, щоб використовувати тame світло з екстремальним ступенем. У 2004 році Гуілмакіс і його колеги навчилися виробляти неймовірно короткі імпульси рентгенівських променів. Кожен імпульс тривав тільки 250 аттосекундів, або 250 хвинтильйон секунд.

За допомогою цих крихітних імпульсів, як камера спалаху, вони змогли взяти фотографії окремих хвиль видимого світла, що значно повільніше. Вони буквально взяли фотографії рухомого світла.

«Ми знаємо, що Maxwell є коливанням електромагнітного поля, але ніхто не думав, що ми можемо фотографії коливального світла», - сказав він Гілмакіс.





Спостереження за цими індивідуальними хвилями світла був першим кроком до контролінгу та зміни світла, він каже, як ми змінюємо радіохвилі для проведення радіо та телевізійних сигналів.

А сто років тому фотоелектричний ефект показав, що видиме світло впливає на електрони в металі. Guilmakis каже, що він повинен точно контролювати ці електрони за допомогою видимих світлових хвиль, змінених для взаємодії з металом в добре визначеному вигляді. «Ми можемо контролювати світло і використовувати його для контролю матерії», – каже він.

Це може перетворювати електронні пристрої, що призводять до нового покоління оптичних комп'ютерів, які менші і швидше, ніж наші. «Ми зможемо перемістити електрони як ми, створивши електричні струми всередині твердих тіл, а не звичайної електроніки. й

Ось ще один спосіб описати світло: це інструмент.

Нічого нового, хоча. Життя з використанням легких, оскільки перші примітивні організми розвивалися легкочутливими тканинами. Ми використовуємо їх для вивчення світу навколо нас. Сучасна технологія робить цю ідею ще далі. У 2014 році лауреат Нобелівської премії з хімії присуджено дослідникам, які збудували світло-московний мікроскоп так потужно, що вважається фізично неможливим. Виявилося, що якщо ви намагаєтеся, світло може показати нам речі, які ми не бачили.

P.S. І пам'ятайте, що просто змініть наше споживання – разом ми змінюємо світ!



Джерело: hi-news.ru/science/davajte-razberemsya-chto-zhe-takoe-svet.html