Er ist um uns herum und erlaubt uns, die Welt zu sehen. Aber fragen Sie einen von uns, und die meisten werden nicht erklären können, was dieses Licht wirklich ist. Licht hilft uns, die Welt zu verstehen, in der wir leben. Unsere Sprache spiegelt dies wider: In der Dunkelheit, die wir durch Berührung bewegen, beginnen wir, das Licht zusammen mit dem Einsetzen der Morgendämmerung zu sehen. Und doch sind wir weit davon entfernt, das Licht vollständig zu verstehen. Wenn Sie einen Lichtstrahl näher bringen, was wird darin sein? Ja, Licht bewegt sich unglaublich schnell, aber kann es nicht für Reisen verwendet werden? Und so weiter und so fort.
Dies sollte natürlich nicht der Fall sein. Licht hat die besten Köpfe seit Jahrhunderten verwirrt, aber wegweisende Entdeckungen in den letzten 150 Jahren haben den Schleier des Mysteriums über dieses Mysterium allmählich gelüftet. Jetzt verstehen wir mehr oder weniger, was es ist.
Die Physiker unserer Zeit verstehen nicht nur die Natur des Lichts, sondern versuchen auch, es mit beispielloser Präzision zu steuern - was bedeutet, dass Licht sehr bald auf erstaunlichste Weise zum Arbeiten gebracht werden kann. Aus diesem Grund haben die Vereinten Nationen 2015 zum Internationalen Jahr des Lichts erklärt.
Licht kann auf vielfältige Weise beschrieben werden. Aber es lohnt sich, damit zu beginnen: Licht ist eine Form von Strahlung (Strahlung). Und dieser Vergleich macht Sinn. Wir wissen, dass übermäßiges Sonnenlicht Hautkrebs verursachen kann. Wir wissen auch, dass Strahlenexposition Sie für einige Krebsarten gefährden kann. Es ist nicht schwer, Parallelen zu ziehen.
Aber nicht alle Strahlungsformen sind gleich. Ende des 19. Jahrhunderts konnten Wissenschaftler die genaue Essenz der Lichtstrahlung bestimmen. Und das Seltsamste ist, dass diese Entdeckung nicht aus dem Studium des Lichts stammt, sondern aus jahrzehntelanger Arbeit an der Natur von Elektrizität und Magnetismus.
Elektrizität und Magnetismus scheinen völlig verschiedene Dinge zu sein. Wissenschaftler wie Hans Christian Oersted und Michael Faraday haben jedoch festgestellt, dass sie eng miteinander verbunden sind. Oersted entdeckte, dass ein elektrischer Strom, der durch einen Draht fließt, die Nadel eines Magnetkompasses ablenkt. In der Zwischenzeit entdeckte Faraday, dass das Bewegen eines Magneten in der Nähe eines Drahtes einen elektrischen Strom im Draht erzeugen kann.
Die damaligen Mathematiker verwendeten diese Beobachtungen, um eine Theorie zu erstellen, die dieses seltsame neue Phänomen beschreibt, das sie "Elektromagnetismus" nannten. Aber nur James Clerk Maxwell konnte das ganze Bild beschreiben.
Maxwells Beitrag zur Wissenschaft ist kaum zu überschätzen. Albert Einstein, der von Maxwell inspiriert war, sagte, dass er die Welt für immer verändert habe. Seine Berechnungen haben uns unter anderem geholfen zu verstehen, was Licht ist.
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Maxwell zeigte, dass sich elektrische und magnetische Felder in Wellen bewegen und diese Wellen sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Dadurch konnte Maxwell vorhersagen, dass Licht selbst von elektromagnetischen Wellen getragen wird - was bedeutet, dass Licht eine Form elektromagnetischer Strahlung ist.
In den späten 1880er Jahren, einige Jahre nach Maxwells Tod, demonstrierte der deutsche Physiker Heinrich Hertz als erster offiziell, dass Maxwells theoretisches Konzept der elektromagnetischen Welle korrekt war.
"Ich bin sicher, wenn Maxwell und Hertz in der Ära des Nobelpreises leben würden, würden sie definitiv einen erhalten", sagt Graham Hall von der Universität Aberdeen in Großbritannien, wo Maxwell Ende der 1850er Jahre arbeitete.
Maxwell gehört aus einem anderen, praktischeren Grund zu den Annalen der Lichtwissenschaft. 1861 stellte er die erste stabile Farbfotografie mit dem Dreifarbenfiltersystem vor, das heute den Grundstein für viele Formen der Farbfotografie legte.
Der Satz, dass Licht eine Form elektromagnetischer Strahlung ist, sagt nicht viel. Aber es hilft zu beschreiben, was wir alle verstehen: Licht ist ein Farbspektrum. Diese Beobachtung geht auf die Arbeit von Isaac Newton zurück. Wir sehen das Farbspektrum in seiner ganzen Pracht, wenn ein Regenbogen am Himmel aufsteigt - und diese Farben stehen in direktem Zusammenhang mit Maxwells Konzept elektromagnetischer Wellen.
Das rote Licht an einem Ende des Regenbogens ist elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 620 bis 750 Nanometern; Die violette Farbe am anderen Ende ist Strahlung mit einer Wellenlänge von 380 bis 450 nm. Elektromagnetische Strahlung ist jedoch mehr als sichtbare Farben. Licht mit einer Wellenlänge länger als Rot nennen wir Infrarot. Licht mit einer Wellenlänge, die kürzer als Violett ist, wird als Ultraviolett bezeichnet. Viele Tiere können im ultravioletten Licht sehen, und einige Menschen können auch sehen, sagt Eleftherios Gulilmakis vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. In einigen Fällen sehen die Menschen sogar Infrarot. Vielleicht wundern wir uns deshalb nicht, dass wir ultraviolette und infrarote Lichtformen nennen.
Wenn die Wellenlängen jedoch noch kürzer oder länger werden, hören wir seltsamerweise auf, sie "Licht" zu nennen. Außerhalb von Ultraviolett können elektromagnetische Wellen kürzer als 100 nm sein. Dies ist der Bereich der Röntgen- und Gammastrahlen. Haben Sie jemals davon gehört, dass Röntgenstrahlen als Lichtform bezeichnet werden?
"Der Wissenschaftler wird nicht sagen, dass ich mit Röntgenlicht durch das Objekt strahle." Er wird sagen "Ich benutze Röntgenstrahlen", sagt Gulilmakis.
Über infrarote und elektromagnetische Wellenlängen hinaus erstrecken sich Wellen bis zu 1 cm und sogar Tausende von Kilometern. Solche elektromagnetischen Wellen werden Mikrowellen oder Radiowellen genannt. Für manche mag es seltsam erscheinen, Radiowellen als Licht wahrzunehmen.
„Vom physikalischen Standpunkt aus gibt es keinen großen physikalischen Unterschied zwischen Radiowellen und sichtbarem Licht“, sagt Gulilmakis. "Sie werden sie mit den gleichen Gleichungen und der gleichen Mathematik beschreiben." Nur unsere alltägliche Wahrnehmung unterscheidet sie.
Somit erhalten wir eine andere Definition von Licht. Dies ist ein sehr enger Bereich elektromagnetischer Strahlung, den unsere Augen sehen können. Mit anderen Worten, Licht ist ein subjektives Etikett, das wir nur aufgrund der Einschränkungen unserer Sinne verwenden.
Wenn Sie detailliertere Beweise dafür wünschen, wie subjektiv unsere Wahrnehmung von Farbe ist, denken Sie an den Regenbogen. Die meisten Menschen wissen, dass das Lichtspektrum sieben Grundfarben enthält: Rot, Orange, Gelb, Grün, Cyan, Blau und Violett. Wir haben sogar nützliche Sprichwörter und Sprüche über Jäger, die wissen wollen, wo ein Fasan ist. Schau dir einen schönen Regenbogen an und versuche alle sieben zu sehen. Selbst Newton hatte keinen Erfolg. Wissenschaftler vermuten, dass der Wissenschaftler den Regenbogen in sieben Farben unterteilt hat, da die Zahl "sieben" für die Antike sehr wichtig war: sieben Noten, sieben Wochentage usw.
Maxwells Arbeiten zum Elektromagnetismus gingen noch einen Schritt weiter und zeigten, dass sichtbares Licht Teil eines breiten Strahlungsspektrums ist. Die wahre Natur des Lichts wurde auch klar. Seit Jahrhunderten versuchen Wissenschaftler zu verstehen, welche Form Licht tatsächlich auf einer fundamentalen Skala annimmt, wenn es von der Lichtquelle zu unseren Augen wandert.
Einige glaubten, dass sich Licht in Form von Wellen oder Wellen durch die Luft oder den mysteriösen "Äther" bewegt. Andere hielten dieses Wellenmodell für fehlerhaft und betrachteten Licht als einen Strom winziger Partikel. Newton neigte zur zweiten Meinung, insbesondere nach einer Reihe von Experimenten, die er mit Licht und Spiegeln durchführte.
Er erkannte, dass die Lichtstrahlen strengen geometrischen Regeln folgen. Ein in einem Spiegel reflektierter Lichtstrahl verhält sich wie eine Kugel, die direkt in einen Spiegel geworfen wird. Wellen werden nicht unbedingt diesen vorhersehbaren geraden Linien folgen, schlug Newton vor, daher muss Licht von einer Form winziger, masseloser Teilchen getragen werden.
Das Problem ist, dass es ebenso überzeugende Beweise dafür gab, dass Licht eine Welle ist. Eine der deutlichsten Demonstrationen dafür war 1801. Das Doppelspaltexperiment von Thomas Young kann grundsätzlich unabhängig zu Hause durchgeführt werden.
Nehmen Sie ein Blatt dicken Karton und schneiden Sie vorsichtig zwei dünne vertikale Schnitte hinein. Nehmen Sie dann eine "kohärente" Lichtquelle, die nur Licht einer bestimmten Wellenlänge emittiert: Ein Laser ist in Ordnung. Richten Sie das Licht dann auf zwei Schlitze, damit es beim Durchgang auf die andere Oberfläche fällt.
Sie würden erwarten, zwei helle vertikale Linien auf der zweiten Oberfläche zu sehen, wo das Licht durch die Schlitze hindurchgegangen ist. Aber als Jung das Experiment durchführte, sah er eine Folge von hellen und dunklen Linien wie einen Barcode.
Wenn Licht durch dünne Schlitze fällt, verhält es sich wie Wasserwellen, die durch eine enge Öffnung gehen: Sie streuen und breiten sich in Form von halbkugelförmigen Wellen aus.
Wenn dieses Licht durch zwei Schlitze geht, löscht jede Welle die andere und bildet dunkle Flecken. Wenn die Wellen konvergieren, werden helle vertikale Linien gebildet. Youngs Experiment bestätigte buchstäblich das Wellenmodell, also brachte Maxwell die Idee in eine solide mathematische Form. Licht ist eine Welle.
Aber dann gab es eine Quantenrevolution
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts versuchten Physiker herauszufinden, wie und warum einige Materialien elektromagnetische Strahlung besser absorbieren und emittieren als andere. Es ist erwähnenswert, dass sich die elektrische Lichtindustrie gerade erst entwickelt hat, daher waren Materialien, die Licht emittieren können, eine ernste Sache.
Gegen Ende des 19. Jahrhunderts entdeckten Wissenschaftler, dass sich die Menge der von einem Objekt emittierten elektromagnetischen Strahlung mit seiner Temperatur ändert, und maßen diese Änderungen. Aber niemand wusste, warum das geschah. Im Jahr 1900 löste Max Planck dieses Problem. Er fand heraus, dass Berechnungen diese Änderungen erklären können, aber nur, wenn wir annehmen, dass elektromagnetische Strahlung in winzigen diskreten Teilen übertragen wird. Planck nannte sie "Quanten", den Plural des lateinischen "Quanten". Einige Jahre später nahm Einstein seine Ideen als Grundlage und erklärte ein weiteres überraschendes Experiment.
Physiker haben entdeckt, dass ein Stück Metall positiv geladen wird, wenn es mit sichtbarem oder ultraviolettem Licht bestrahlt wird. Dieser Effekt wurde als photoelektrisch bezeichnet.
Die Atome im Metall verloren negativ geladene Elektronen. Anscheinend lieferte das Licht genug Energie an das Metall, um einen Teil der Elektronen freizusetzen. Aber warum Elektronen dies taten, war nicht klar. Sie könnten einfach mehr Energie transportieren, indem sie die Farbe des Lichts ändern. Insbesondere trugen Elektronen, die von einem mit violettem Licht bestrahlten Metall freigesetzt wurden, mehr Energie als Elektronen, die von einem mit rotem Licht bestrahlten Metall freigesetzt wurden.
Wenn Licht nur eine Welle wäre, wäre es lächerlich
Normalerweise ändern Sie die Energiemenge in der Welle, wodurch sie höher wird - stellen Sie sich einen hohen Tsunami zerstörerischer Kraft vor - und nicht länger oder kürzer. Im weiteren Sinne besteht der beste Weg, die Energie, die Licht auf Elektronen überträgt, zu erhöhen, darin, die Lichtwelle höher zu machen, dh das Licht heller zu machen. Das Ändern der Wellenlänge und damit des Lichts hätte keinen großen Unterschied machen sollen.
Einstein erkannte, dass der photoelektrische Effekt leichter zu verstehen ist, wenn Sie Licht in der Terminologie der Planck-Quanten darstellen.
Er schlug vor, dass Licht von winzigen Quantenstücken getragen wird. Jedes Quantum trägt einen Teil der diskreten Energie, der einer Wellenlänge zugeordnet ist: Je kürzer die Wellenlänge, desto dichter die Energie. Dies könnte erklären, warum relativ kurzwellige Teile von violettem Licht mehr Energie tragen als relativ lange Teile von rotem Licht.
Es würde auch erklären, warum das einfache Erhöhen der Helligkeit des Lichts das Ergebnis nicht wirklich beeinflusst.
Helleres Licht liefert mehr Lichtanteile an das Metall, dies ändert jedoch nicht die Energiemenge, die von jedem Teil getragen wird. Grob gesagt kann ein Teil des violetten Lichts mehr Energie auf ein Elektron übertragen als viele Teile des roten Lichts.
Einstein nannte diese Teile von Energiephotonen und wird nun als fundamentale Teilchen erkannt. Sichtbares Licht wird von Photonen getragen, und andere Formen elektromagnetischer Strahlung wie Röntgenstrahlen, Mikrowellen- und Radiowellen werden ebenfalls getragen. Mit anderen Worten, Licht ist ein Teilchen.
Damit beschlossen die Physiker, die Debatte darüber zu beenden, woraus Licht besteht. Beide Modelle waren so überzeugend, dass es keinen Sinn machte, eines aufzugeben. Zur Überraschung vieler Nichtphysiker haben Wissenschaftler entschieden, dass sich Licht gleichzeitig wie ein Teilchen und eine Welle verhält. Mit anderen Worten, Licht ist ein Paradoxon.
Gleichzeitig hatten die Physiker keine Probleme mit der gespaltenen Persönlichkeit des Lichts. Dies machte Licht bis zu einem gewissen Grad doppelt nützlich. Wenn wir uns heute auf die Arbeit der Leuchten im wahrsten Sinne des Wortes verlassen - Maxwell und Einstein -, drücken wir alles aus dem Licht.
Es stellt sich heraus, dass die Gleichungen zur Beschreibung von Lichtwellen und Lichtteilchen gleich gut funktionieren, aber in einigen Fällen ist eine einfacher zu verwenden als die andere. Die Physiker wechseln also zwischen ihnen, ähnlich wie wir Meter verwenden, um unsere eigene Größe zu beschreiben, und bewegen uns auf Kilometer, um eine Radtour zu beschreiben.
Einige Physiker versuchen, mithilfe von Licht verschlüsselte Kommunikationskanäle zu erstellen, beispielsweise für Geldtransfers. Für sie ist es sinnvoll, Licht als Teilchen zu betrachten. Dies liegt an der seltsamen Natur der Quantenphysik. Zwei fundamentale Teilchen können wie ein Photonenpaar „verwickelt“werden. Dies bedeutet, dass sie gemeinsame Eigenschaften haben, egal wie weit sie voneinander entfernt sind, sodass sie zur Übertragung von Informationen zwischen zwei Punkten auf der Erde verwendet werden können.
Ein weiteres Merkmal dieser Verschränkung ist, dass sich der Quantenzustand der Photonen beim Lesen ändert. Dies bedeutet, dass jemand, der theoretisch versucht, einen verschlüsselten Kanal zu belauschen, seine Anwesenheit sofort verrät.
Andere, wie Gulilmakis, verwenden Licht in der Elektronik. Sie finden es nützlicher, Licht als eine Reihe von Wellen darzustellen, die gezähmt und gesteuert werden können. Moderne Geräte, sogenannte "Lichtfeldsynthesizer", können Lichtwellen in perfekter Synchronisation miteinander kombinieren. Infolgedessen erzeugen sie Lichtimpulse, die intensiver, kurzlebiger und gerichteter sind als das Licht einer herkömmlichen Lampe.
In den letzten 15 Jahren haben diese Geräte gelernt, Licht extrem zu zähmen. Im Jahr 2004 lernten Gulilmakis und seine Kollegen, wie man unglaublich kurze Röntgenpulse erzeugt. Jeder Impuls dauerte nur 250 Attosekunden oder 250 Billionen Sekunden.
Mit diesen winzigen Impulsen wie einem Kamerablitz konnten sie Bilder einzelner Wellen sichtbaren Lichts aufnehmen, die viel langsamer schwingen. Sie machten buchstäblich Fotos von sich bewegendem Licht.
„Seit Maxwell wussten wir, dass Licht ein oszillierendes elektromagnetisches Feld ist, aber niemand dachte, dass wir oszillierendes Licht fotografieren könnten“, sagt Gulilmakis.
Die Beobachtung dieser einzelnen Lichtwellen war der erste Schritt zur Manipulation und Modifizierung des Lichts, ähnlich wie wir Radiowellen ändern, um Radio- und Fernsehsignale zu übertragen.
Vor einem Jahrhundert zeigte der photoelektrische Effekt, dass sichtbares Licht die Elektronen in einem Metall beeinflusst. Gulilmakis sagt, es sollte möglich sein, diese Elektronen mithilfe von sichtbaren Lichtwellen, die so modifiziert sind, dass sie auf genau definierte Weise mit dem Metall interagieren, präzise zu steuern. "Wir können Licht manipulieren und damit Materie manipulieren", sagt er.
Dies könnte die Elektronik revolutionieren und zu einer neuen Generation optischer Computer führen, die kleiner und schneller als unsere sind. "Wir können Elektronen nach Belieben bewegen und mit Hilfe von Licht elektrische Ströme in Festkörpern erzeugen, anders als in der normalen Elektronik."
Hier ist eine andere Art, Licht zu beschreiben: Es ist ein Instrument
Allerdings nichts Neues. Das Leben nutzt Licht, seit die ersten primitiven Organismen lichtempfindliche Gewebe entwickelt haben. Die Augen von Menschen fangen die Photonen des sichtbaren Lichts ein, wir verwenden sie, um die Welt um uns herum zu studieren. Moderne Technologie bringt diese Idee noch weiter. 2014 wurde der Nobelpreis für Chemie an Forscher verliehen, die ein Lichtmikroskop bauten, das so leistungsfähig war, dass es als physikalisch unmöglich angesehen wurde. Es stellte sich heraus, dass Licht uns Dinge zeigen kann, von denen wir dachten, wir würden sie niemals sehen, wenn wir es versuchen.
