Dia ada di sekeliling kita dan membolehkan kita melihat dunia. Tetapi tanyakan kepada kami, dan kebanyakan tidak akan dapat menerangkan apa sebenarnya cahaya ini. Cahaya membantu kita memahami dunia di mana kita hidup. Bahasa kita mencerminkan ini: dalam kegelapan kita bergerak dengan sentuhan, kita mula melihat cahaya bersamaan dengan waktu fajar. Namun kita masih jauh dari pemahaman cahaya yang lengkap. Sekiranya anda membawa sinar cahaya lebih dekat, apa yang akan ada di dalamnya? Ya, cahaya bergerak sangat cepat, tetapi tidak dapat digunakan untuk perjalanan? Dan sebagainya dan seterusnya.
Sudah tentu, perkara ini tidak seharusnya berlaku. Cahaya telah membingungkan minda terbaik selama berabad-abad, tetapi penemuan mercu tanda selama 150 tahun terakhir secara beransur-ansur mengangkat tabir misteri atas misteri ini. Sekarang kita kurang faham apa itu.
Ahli fizik pada zaman kita bukan sahaja memahami sifat cahaya, tetapi juga berusaha mengawalnya dengan ketepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya - yang bermaksud bahawa cahaya dapat dibuat dengan cara yang paling menakjubkan. Atas sebab ini, PBB telah mengisytiharkan 2015 sebagai Tahun Cahaya Antarabangsa.
Cahaya dapat dijelaskan dengan pelbagai cara. Tetapi perlu dimulakan dengan ini: cahaya adalah bentuk sinaran (sinaran). Dan perbandingan ini masuk akal. Kita tahu bahawa cahaya matahari yang berlebihan boleh menyebabkan barah kulit. Kami juga tahu bahawa pendedahan radiasi boleh membahayakan anda untuk beberapa jenis barah; tidak sukar untuk membuat perbandingan.
Tetapi tidak semua bentuk sinaran diciptakan sama. Pada akhir abad ke-19, saintis dapat menentukan intipati radiasi cahaya yang tepat. Dan yang paling pelik ialah penemuan ini bukan berasal dari kajian cahaya, tetapi berasal dari kerja puluhan tahun mengenai sifat elektrik dan daya tarikan.
Tenaga elektrik dan daya tarikan nampaknya berbeza. Tetapi saintis seperti Hans Christian Oersted dan Michael Faraday telah mendapati bahawa mereka saling berkaitan. Oersted mendapati bahawa arus elektrik yang melalui wayar memesongkan jarum kompas magnet. Sementara itu, Faraday mendapati bahawa menggerakkan magnet di dekat wayar dapat menghasilkan arus elektrik di wayar.
Ahli matematik pada masa itu menggunakan pemerhatian ini untuk membuat teori yang menggambarkan fenomena baru yang pelik ini, yang mereka sebut sebagai "elektromagnetisme." Tetapi hanya James Clerk Maxwell yang dapat menggambarkan gambaran keseluruhannya.
Sumbangan Maxwell untuk sains hampir tidak dapat ditaksir. Albert Einstein, yang diilhami oleh Maxwell, mengatakan bahawa dia mengubah dunia selamanya. Antara lain, pengiraannya membantu kita memahami apa itu cahaya.
Video promosi:
Maxwell menunjukkan bahawa medan elektrik dan magnet bergerak dalam gelombang, dan gelombang ini bergerak pada kelajuan cahaya. Ini membolehkan Maxwell meramalkan bahawa cahaya itu sendiri dibawa oleh gelombang elektromagnetik - yang bermaksud bahawa cahaya adalah bentuk radiasi elektromagnetik.
Pada akhir tahun 1880-an, beberapa tahun selepas kematian Maxwell, ahli fizik Jerman Heinrich Hertz adalah orang pertama yang secara rasmi menunjukkan bahawa konsep teori gelombang elektromagnetik Maxwell adalah betul.
"Saya yakin bahawa jika Maxwell dan Hertz hidup di era Hadiah Nobel, mereka pasti akan memperolehnya," kata Graham Hall dari University of Aberdeen di UK - tempat Maxwell bekerja pada akhir tahun 1850-an.
Maxwell menduduki tempat dalam sejarah sains cahaya dengan alasan yang berbeza dan lebih praktikal. Pada tahun 1861, ia melancarkan fotografi warna stabil pertama menggunakan sistem penapis warna tiga, yang menjadi asas bagi banyak bentuk fotografi warna hari ini.
Ungkapan bahawa cahaya adalah bentuk sinaran elektromagnetik tidak banyak mengatakan. Tetapi sangat membantu untuk menggambarkan apa yang kita semua faham: cahaya adalah spektrum warna. Pemerhatian ini kembali ke karya Isaac Newton. Kami melihat spektrum warna dalam semua kemuliaan ketika pelangi naik di langit - dan warna-warna ini secara langsung berkaitan dengan konsep gelombang elektromagnetik Maxwell.
Lampu merah di satu hujung pelangi adalah sinaran elektromagnetik dengan panjang gelombang 620 hingga 750 nanometer; warna ungu di hujungnya adalah sinaran dengan panjang gelombang 380 hingga 450 nm. Tetapi terdapat lebih banyak radiasi elektromagnetik daripada warna yang dapat dilihat. Cahaya dengan panjang gelombang lebih panjang daripada merah adalah apa yang kita panggil inframerah. Cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek daripada ungu disebut ultraviolet. Banyak haiwan dapat melihat dengan sinar ultraviolet, dan ada juga yang dapat melihatnya, kata Eleftherios Gulilmakis dari Institut Max Planck untuk Optik Kuantum di Garching, Jerman. Dalam beberapa kes, orang bahkan melihat inframerah. Mungkin inilah sebabnya mengapa kita tidak terkejut kerana kita menyebut bentuk sinar ultraviolet dan inframerah.
Namun, dengan rasa hairan, jika panjang gelombang menjadi lebih pendek atau lebih lama, kita berhenti memanggilnya "cahaya." Di luar ultraviolet, gelombang elektromagnetik boleh lebih pendek daripada 100 nm. Ini adalah wilayah sinar-X dan sinar gamma. Pernahkah anda mendengar sinar-X disebut sebagai bentuk cahaya?
"Seorang saintis tidak akan mengatakan 'Saya bersinar melalui objek dengan sinar-X.' Dia akan berkata "Saya menggunakan sinar-X," kata Gulilmakis.
Sementara itu, di luar panjang gelombang inframerah dan elektromagnetik, gelombang membentang hingga 1 cm dan bahkan hingga ribuan kilometer. Gelombang elektromagnetik seperti itu disebut gelombang mikro atau gelombang radio. Mungkin kelihatan aneh bagi sesetengah orang untuk menganggap gelombang radio sebagai cahaya.
"Tidak banyak perbezaan fizikal antara gelombang radio dan cahaya yang dapat dilihat dari sudut pandang fisika," kata Gulilmakis. "Anda akan menerangkannya dengan persamaan dan matematik yang sama." Hanya persepsi seharian kita yang membezakannya.
Oleh itu, kita mendapat definisi cahaya yang berbeza. Ini adalah jarak radiasi elektromagnetik yang sangat sempit yang dapat dilihat oleh mata kita. Dengan kata lain, cahaya adalah label subjektif yang hanya kita gunakan kerana keterbatasan deria kita.
Sekiranya anda mahukan bukti yang lebih terperinci tentang bagaimana subjektif persepsi warna kita, fikirkan pelangi. Kebanyakan orang tahu bahawa spektrum cahaya mengandungi tujuh warna utama: merah, oren, kuning, hijau, sian, biru, dan ungu. Kami juga mempunyai peribahasa dan ucapan yang berguna mengenai pemburu yang ingin mengetahui di mana burung pegar. Lihat pelangi yang bagus dan cuba lihat ketujuh. Malah Newton tidak berjaya. Para saintis mengesyaki bahawa saintis itu membahagikan pelangi kepada tujuh warna, kerana angka "tujuh" sangat penting bagi dunia kuno: tujuh nota, tujuh hari dalam seminggu, dll.
Kerja Maxwell mengenai elektromagnetisme membawa kami satu langkah lebih jauh dan menunjukkan bahawa cahaya yang dapat dilihat adalah sebahagian dari spektrum radiasi yang luas. Sifat cahaya yang sebenarnya juga menjadi jelas. Selama berabad-abad, para saintis telah berusaha memahami bentuk cahaya yang sebenarnya diambil dalam skala asas ketika bergerak dari sumber cahaya ke mata kita.
Ada yang percaya bahawa cahaya bergerak dalam bentuk gelombang atau riak, melalui udara atau "eter" yang misterius. Yang lain berpendapat bahawa model gelombang ini cacat dan dianggap cahaya sebagai aliran zarah kecil. Newton condong ke arah pendapat kedua, terutama setelah serangkaian eksperimen yang dilakukannya dengan cahaya dan cermin.
Dia menyedari bahawa sinar cahaya mematuhi peraturan geometri yang ketat. Sinar cahaya yang terpantul di cermin berkelakuan seperti bola yang dilemparkan terus ke cermin. Gelombang tidak semestinya mengikuti garis lurus yang dapat diramalkan ini, Newton mencadangkan, jadi cahaya mesti dibawa oleh beberapa bentuk zarah kecil yang tidak berjisim.
Masalahnya ialah terdapat bukti yang sama kuat bahawa cahaya adalah gelombang. Salah satu demonstrasi yang paling jelas adalah pada tahun 1801. Percubaan celah berganda Thomas Young, pada dasarnya, boleh dilakukan secara bebas di rumah.
Ambil sehelai kadbod tebal dan potong dengan hati-hati dua potongan menegak nipis di dalamnya. Kemudian ambil sumber cahaya "koheren" yang hanya akan memancarkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu: laser akan berfungsi dengan baik. Kemudian arahkan cahaya ke dua celah sehingga ketika melewati, ia jatuh di permukaan yang lain.
Anda boleh melihat dua garis menegak terang di permukaan kedua di mana cahaya telah melewati celah. Tetapi ketika Jung melakukan eksperimen, dia melihat urutan garis terang dan gelap seperti kod bar.
Ketika cahaya melewati celah tipis, ia berkelakuan seperti gelombang air yang melewati bukaan sempit: mereka berselerak dan menyebar dalam bentuk riak hemisfera.
Apabila cahaya ini melewati dua celah, setiap gelombang memadamkan yang lain, membentuk tompok gelap. Apabila riak menyatu, ia melengkapkan untuk membentuk garis menegak yang terang. Percubaan Young secara literal mengesahkan model gelombang, jadi Maxwell memasukkan idea itu ke dalam bentuk matematik yang kukuh. Cahaya adalah gelombang.
Tetapi kemudian berlaku revolusi kuantum
Pada separuh kedua abad kesembilan belas, ahli fizik cuba mengetahui bagaimana dan mengapa sebilangan bahan menyerap dan memancarkan sinaran elektromagnetik lebih baik daripada yang lain. Harus diingat bahawa ketika itu industri lampu elektrik baru berkembang, jadi bahan yang dapat memancarkan cahaya adalah hal yang serius.
Pada akhir abad kesembilan belas, para saintis telah mengetahui bahawa jumlah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh objek berubah dengan suhunya, dan mereka mengukur perubahan ini. Tetapi tidak ada yang tahu mengapa ini berlaku. Pada tahun 1900, Max Planck menyelesaikan masalah ini. Dia mendapati bahawa pengiraan dapat menjelaskan perubahan ini, tetapi hanya jika kita menganggap bahawa radiasi elektromagnetik disebarkan dalam bahagian diskrit kecil. Planck memanggil mereka "quanta", jamak Latin "quantum". Beberapa tahun kemudian, Einstein mengambil ideanya sebagai asas dan menjelaskan satu lagi eksperimen yang mengejutkan.
Ahli fizik telah menemui bahawa sekeping logam menjadi bermuatan positif apabila disinari dengan cahaya yang dapat dilihat atau ultraviolet. Kesan ini dipanggil fotolistrik.
Atom dalam logam kehilangan elektron bercas negatif. Nampaknya, cahaya memberikan tenaga yang cukup kepada logam untuk melepaskan sebahagian elektron. Tetapi mengapa elektron melakukan ini tidak jelas. Mereka dapat membawa lebih banyak tenaga hanya dengan mengubah warna cahaya. Secara khusus, elektron yang dilepaskan oleh logam yang disinari dengan cahaya ungu membawa lebih banyak tenaga daripada elektron yang dilepaskan oleh logam yang disinari dengan cahaya merah.
Sekiranya cahaya hanyalah gelombang, itu akan menjadi tidak masuk akal
Biasanya, anda mengubah jumlah tenaga dalam gelombang, menjadikannya lebih tinggi - bayangkan tsunami kekuatan merosakkan yang tinggi - dan tidak lebih lama atau lebih pendek. Secara lebih meluas, cara terbaik untuk meningkatkan tenaga yang dipancarkan cahaya ke elektron adalah dengan menjadikan gelombang cahaya lebih tinggi: iaitu, menjadikan cahaya lebih terang. Mengubah panjang gelombang, dan karenanya cahaya, seharusnya tidak membuat banyak perbezaan.
Einstein menyedari bahawa kesan fotolistrik lebih mudah difahami jika anda mewakili cahaya dalam terminologi Planck quanta.
Dia mencadangkan bahawa cahaya dibawa oleh potongan kuantum kecil. Setiap kuantum membawa sebahagian tenaga diskrit yang berkaitan dengan panjang gelombang: semakin pendek panjang gelombang, semakin padat tenaga. Ini dapat menjelaskan mengapa bahagian panjang gelombang cahaya violet yang relatif pendek membawa lebih banyak tenaga daripada bahagian cahaya merah yang agak panjang.
Ini juga akan menjelaskan mengapa hanya meningkatkan kecerahan cahaya tidak terlalu mempengaruhi hasilnya.
Cahaya yang lebih terang memberikan lebih banyak bahagian cahaya ke logam, tetapi ini tidak mengubah jumlah tenaga yang dibawa oleh setiap bahagian. Secara kasar, satu bahagian cahaya ungu dapat memindahkan lebih banyak tenaga ke satu elektron daripada banyak bahagian cahaya merah.
Einstein menyebut bahagian foton tenaga ini dan kini dikenali sebagai zarah asas. Cahaya yang dilihat dibawa oleh foton, dan bentuk radiasi elektromagnetik lain seperti sinar-X, gelombang mikro dan gelombang radio juga dibawa. Dengan kata lain, cahaya adalah zarah.
Pada ketika ini, ahli fizik memutuskan untuk mengakhiri perdebatan mengenai cahaya apa yang dibuat. Kedua model begitu meyakinkan bahawa tidak ada gunanya meninggalkannya. Yang mengejutkan banyak orang bukan ahli fizik, saintis telah memutuskan bahawa cahaya bertindak seperti zarah dan gelombang pada masa yang sama. Dengan kata lain, cahaya adalah satu paradoks.
Pada masa yang sama, ahli fizik tidak menghadapi masalah dengan keperibadian cahaya yang terbelah. Ini, hingga tahap tertentu, menjadikan cahaya berguna dua kali ganda. Hari ini, bergantung pada karya pencahayaan dalam pengertian harfiah perkataan - Maxwell dan Einstein - kami memadamkan segalanya dari cahaya.
Ternyata persamaan yang digunakan untuk menggambarkan gelombang cahaya dan partikel cahaya berfungsi dengan baik, tetapi dalam beberapa kes satu lebih mudah digunakan daripada yang lain. Oleh itu, ahli fizik beralih di antara mereka, seperti kita menggunakan meter untuk menggambarkan ketinggian kita sendiri, dan bergerak ke kilometer untuk menggambarkan perjalanan basikal.
Sebilangan ahli fizik cuba menggunakan cahaya untuk membuat saluran komunikasi yang dienkripsi, untuk pemindahan wang, misalnya. Masuk akal bagi mereka untuk menganggap cahaya sebagai zarah. Ini disebabkan oleh sifat fizik kuantum yang pelik. Dua zarah asas, seperti sepasang foton, dapat "terjerat". Ini bermaksud bahawa mereka akan memiliki sifat yang sama tidak kira jarak antara satu sama lain, sehingga dapat digunakan untuk memindahkan maklumat antara dua titik di Bumi.
Ciri lain dari keterikatan ini ialah keadaan kuantum foton berubah ketika dibaca. Ini bermaksud bahawa jika seseorang cuba menguping saluran terenkripsi, secara teori, dia akan segera mengkhianati kehadirannya.
Yang lain, seperti Gulilmakis, menggunakan cahaya dalam elektronik. Mereka merasa lebih berguna untuk membayangkan cahaya sebagai rangkaian gelombang yang dapat dijinakkan dan dikawal. Peranti moden yang disebut "cahaya medan synthesizer" dapat menggabungkan gelombang cahaya dalam penyegerakan yang sempurna antara satu sama lain. Akibatnya, mereka menghasilkan denyut cahaya yang lebih kuat, berumur pendek dan lebih terarah daripada cahaya dari lampu konvensional.
Selama 15 tahun kebelakangan ini, peranti ini telah belajar digunakan untuk menjinakkan cahaya hingga tahap yang melampau. Pada tahun 2004, Gulilmakis dan rakannya belajar bagaimana menghasilkan denyutan sinar-X yang sangat pendek. Setiap denyut nadi hanya bertahan 250 attosecond, atau 250 quintillion saat.
Dengan menggunakan denyutan kecil seperti kilat kamera, mereka dapat menangkap gambar gelombang individu cahaya yang berayun lebih perlahan. Mereka benar-benar mengambil gambar cahaya bergerak.
"Sejak Maxwell kami tahu bahawa cahaya adalah medan elektromagnetik berayun, tetapi tidak ada yang menyangka bahawa kami dapat mengambil gambar cahaya berayun," kata Gulilmakis.
Memerhatikan gelombang cahaya individu ini adalah langkah pertama untuk memanipulasi dan mengubah cahaya, katanya, seperti kita mengubah gelombang radio untuk membawa isyarat radio dan televisyen.
Seratus tahun yang lalu, kesan fotolistrik menunjukkan bahawa cahaya yang kelihatan mempengaruhi elektron dalam logam. Gulilmakis mengatakan bahawa elektron ini boleh dikawal dengan tepat menggunakan gelombang cahaya yang dapat dilihat yang diubah untuk berinteraksi dengan logam dengan cara yang jelas. "Kami dapat memanipulasi cahaya dan menggunakannya untuk memanipulasi jirim," katanya.
Ini dapat merevolusikan elektronik, membawa kepada generasi baru komputer optik yang lebih kecil dan lebih cepat daripada komputer kita. "Kita boleh menggerakkan elektron sesuka hati, membuat arus elektrik di dalam pepejal dengan bantuan cahaya, dan tidak seperti pada elektronik biasa."
Inilah kaedah lain untuk menerangkan cahaya: ia adalah instrumen
Walau bagaimanapun, tidak ada yang baru. Kehidupan telah menggunakan cahaya sejak organisma primitif pertama mengembangkan tisu sensitif cahaya. Mata orang menangkap foton cahaya yang dapat dilihat, kita menggunakannya untuk mengkaji dunia di sekitar kita. Teknologi moden membawa idea ini lebih jauh. Pada tahun 2014, Hadiah Nobel dalam Kimia diberikan kepada para penyelidik yang membina mikroskop cahaya yang sangat kuat sehingga dianggap mustahil secara fizikal. Ternyata jika kita mencuba, cahaya dapat menunjukkan kepada kita perkara-perkara yang kita fikir tidak akan pernah kita lihat.
