Светлината не само прави възможно нашето съществуване и осмисля цялото ни ежедневие, но тя стои и в основата на нашата Вселена.
Годината на светлината от една страна има за цел да разкрие значението на светлината като феномен и от друга – да покаже множеството технологии и приложения, станали възможни благодарение на нея. Електромагнитният спектър намира приложение във фотографията, лазерните технологии, соларните инсталации и не на последно място в обмена на данни чрез оптични предаватели.
Същност на светлината
Космически феномен с много неизвестни
Без светлина няма живот – светлината не само прави възможно съществуването ни, тя осмисля нашето ежедневие и е основна характеристика на цялата ни Вселена. Същевременно светлината е най-фундаменталният и загадъчен физичен феномен, който до ден днешен крие многообразие от изненади.
В настоящата статия на немското научно-популярно издание Scinexx представяме светлината като физичен феномен с всички негови загадки, изненади и отворени въпроси. Постепенно ще разгледаме различни аспекти на светлината, в това число лазера и фотонните приложения.
В началото бе светлината
Как е възникнало лъчението
Малко след Големия взрив лъчението доминира във все още младата Вселена, едва по-късно възниква първата материя
Илюстрация: Space.com
Още преди появата на първите елементи, светлината е присъствала в Космоса: електромагнитното лъчение е основна характеристика на Вселената още в първите части от секундата след Големия взрив. Мощната космическа енергия тогава, преди около 14 млрд. години, съществува под формата на богато на енергия лъчение. При възникването на първите елементарни частици Вселената всъщност все още е мътна, но изпълнена със светлина.
Доказателства за Големия взрив
Това се променя едва 380 000 години след Големия взрив: Горещата плазмена смес вече се е охладила дотолкова, че възникват първите атоми. Така електромагнитното лъчение почти безпрепятствено се разпространява в пространството. Вселената става прозрачна и е изпълнена със светлина. И тази първа светлина – почти 400 фотона от нея се съдържат и до днес в 1 куб.см. пространство – изпълва до днес Вселената под формата на космическо микровълново фоново лъчение.
Космическото микровълново фоново лъчение изпълва пространството подобно на тапет, изобразяващ дифузна микровълнова радиация. Изображение: NASA/ESA/ Planck
Космическият микровълнов фон е „фосил“ от най-първата светлина в нашия Космос и до днес ни напомня за това, от каква фундаментална важност е лъчението за всичко, което ни обгражда. Впрочем: реликвата от времето на Големия взрив днес съвсем няма същата къса дължина на вълната, както някога. Поради продължаващото разширяване на космическото пространство космическият микровълнов фон продължил да се охлажда. Днес лъчението е с температура около минус 270ºС, а дължината на вълната в диапазона на микровълните.
Все още така загадъчна
От откриването му преди почти 50 години космическото микровълново фоново лъчение вече е дало ценни насоки относно развитието на нашата Вселена и е станало причина за още толкова въпроси. Така през март 2014 изглежда, че астрономите най-после са открили следи за космическа инфлация – експоненциалното разширяване на Вселената – в останките от тази първа светлина. Малко по-късно се оказва, че е твърде рано за подобни констатации.
В днешно време източници на светлина в Космоса са и безбройните звезди, галактики и тлеещи газово-прахови облаци. Снимка: NASA/CXC/JPL-Caltech/STScI
Космическият микровълнов фон обаче не е единственият източник на светлина в Космоса. Като започнем от газовете в големите звездни купове, светещи в най-различни цветове, минем през звездите и галактиките и стигнем до интензивните експлозии на свръхнови и други космически експлозии, без светлина нашата Вселена би била тъмна и пуста. Не би съществувало и нашето Слънце – звездата, на която човечеството дължи своето съществуване.
Следователно светлината е много повече от бляскав спектакъл. Тя е в основата на целия Космос. Това доказва преди стотици години един от най-големите физици …
Мярка за всички неща
Алберт Айнщайн, скорост на светлината и спиране на светлината
Не е случайно, че за година на светлината е избрана именно 2015. Точно преди 100 години, през 1915, Алберт Айнщайн публикува своята Обща теория на относителността, 10 години по-рано – своята Специална теория на относителността и с това преобръща наопаки представата на физиката за света. Защото с тези теории светлината придобива едно съвсем ново значение: Тя се превръща в мярка за всички неща.
През 2015 Теорията на относителността на Айнщайн става на 100 години. Снимка: Historisch (Ferdinand Schmutzer)
Времето е относително, скоростта на светлината е константа
Преди Айнщайн светлината е само един от многото феномени в Космоса. Още Аристотел установява, че светлината винаги се разпространява по права линия, но от определен момент нататък може да се разсее във всички посоки. По онова време се смятало, че скоростта на светлината се мени. Единствено времето било смятано за абсолютна величина. На теория според тогавашните представи било абсолютно възможно един светлинен лъч да бъде проследен и след това уловен.
Айнщайн обаче сложил край на това вярване. Той заявил, че не времето, а скоростта на светлината е абсолютна величина. Тя е физична константа и по този начин фундаментална част от Космоса. Във Вселената не съществува нищо, което да се движи по-бързо от светлината. Същевременно светлината се разпространява винаги еднакво бързо, независимо дали при измерването ние се движим или не. За времето обаче това не важи: За един наблюдател колкото по-бързо се движи самият той в дадено пространство, толкова по-бавно преминава времето.
Спиране на светлината
Ако скоростта на светлината е физична константа, то тя в действителност би следвало да остава непроменена. Следователно не би трябвало светлината да може да бъде забавена или спряна изцяло. Принципно това е така. Но през последните години физиците успяват да манипулират тази константа с помощта на специални кристали и добре обмислени експерименти: По този начин изследователите успяха за период от няколко секунди до една минута да „замразят“ светлинни лъчи.
Поглед към експеримента по спиране и съхраняване на светлинни импулси. Снимка: Katrin Binner / TU Darmstadt
Като „преграда“ физиците най-често използват кристал с йони на редкия химичен елемент празеодим, охладен до един или няколко градуса над абсолютната нула. Кристалът бива бомбардиран с раздвоен лазерен лъч, като двата лъча се срещат, образувайки прав ъгъл. Първият лазерен лъч играе ролята на спирачка, той възбужда йоните в кристалната решетка, променяйки по този начин кристалните свойства. Вторият лазерен лъч попада върху тази нова среда – комбинация от кристал и лазерен лъч – и по този начин скоростта му значително се забавя.
„Светлината, която постъпва в кристала, се забавя дотолкова, че спира своето движение и остава така, докато ние не й позволим да тръгне отново“, обяснява Морган Хеджис от Австралийския национален университет. „Когато пуснем светлината, всичко е така, както е било при нейното постъпване, точно до последния фотон.“ При това тези експерименти са много повече от физични игрички. Тъй като с такива светлинни клопки ще бъде възможно директното съхраняване на оптична информация без да е необходимо нейното преобразуване в електронни или магнитни данни както досега.
Изкривяване и отклоняване на светлината
Взаимодействие между светлина и гравитация
Но дори в естествени условия светлината не е напълно неподвластна на влиянието на околната среда: както можем да наблюдаваме постоянно в ежедневието, тя дори осъществява взаимодействие с материята. Така например на границата между два различни материала светлината се пречупва или рефлектира. На това нейно поведение се дължат небесни феномени като дъгата или обагрената в различни цветове лунна дъга. При това синият цвят на небето е доказателство, че светлината може и да се разсейва.
Изкривяването на време-пространството под влияние на гравитацията също отклонява светлината. Илюстрация: MMCD
Силата на гравитацията и изкривяването на светлината
Още по-фундаментално обаче е влиянието на гравитационните сили върху светлината, което Алберт Айнщайн излага още през 1915 в своята Обща теория на относителността. Според нея време-пространството представлява един вид матрица на целия Космос. Гравитацията изкривява това време-пространство – колкото по-голяма е масата на обекта, толкова по-голямо е изкривяването.
Доказателство за този ефект е слънчевото затъмнение от 29.05.1919. Изследователи специално отпътуват за Западна Африка, тъй като затъмнението на слънцето най-после трябвало да покаже, дали Айнщайн действително е имал право. Ако теорията била вярна, гравитационните сили на Слънцето трябвало да предизвикат известно отклонение в светлината на намиращите се далеч зад него звезди. Това отклонение щяло да се изрази в това, че видимата позиция на звездата на небето щяла да се измести спрямо нейната нормална позиция, когато светлината й премине непосредствено по видимите краища на слънчевия диск.
Оригинална снимка на слънчевото затъмнение от 1919, направена от Артър Едингтън.
И действително осветяваните по време на слънчевото затъмнение фотоплаки показали точно това незначително отклонение. Това потвърждение на теорията на Айнщайн се превърнало в сензация не само сред физиците, то го превърнало в попзвезда на науката и сред широката общественост. Малко след това Ню Йорк Таймс излиза със заглавието: „Светлините в небето са изкривени, теорията на Айнщайн триумфира“.
Космически лещи
Потвърждение за верността на теорията на Айнщайн може да ни даде наблюдаването на гравитационни лещи – масивни галактики, които отклоняват и изкривяват траекторията на светлината на отдалечени космически обекти – подобно на лещата в оптичните инструменти. Още Айнщайн предсказва, че подобни гравитационни центрове отклоняват и изкривяват светлината, идваща от разположените зад тях в една линия обекти, по такъв начин, че тяхната светлина образува обръч около галактиката – т.нар. в днешно време „пръстен на Айнщайн“.
Един почти перфектен пръстен на Айнщайн около далечната галактика LRG 3-757
Снимка: ESA/Hubble & NASA
Перфектният пръстен на Айнщайн впрочем е рядък феномен, тъй като за да се получи е необходимо галактиката, обектът на заден план и наблюдателят да се намират точно в права линия. Един от тези редки пръстени беше открит от астрономи през октомври 2013 около галактика-джудже на разстояние 9,4 млрд. светлинни години. Тази гравитационна леща е не само най-отдалеченият обект от този вид, открит до момента, но и един от малкото примери за перфектно разположение на обектите.
Заключения за тъмната материя
Постулираният от Айнщайн ефект на гравитационната леща отдавна се е превърнал в ценен инструмент за целите на астрономията, тъй като силата на гравитационната леща дава информация за масата и гравитацията й. По този начин учените дори могат да изчислят каква част от общата маса на една такава галактика се пада на тъмната материя в нея. Използвайки този ефект преди няколко години учени за първи път успяха да измерят разпределението на тъмната материя в големи по обхват космически пространства.
Освен това една такава гравитационна леща изпълнява функцията на естествен телескоп, тъй като увеличава и засилва светлината от източника, намиращ се на заден план. По този начин могат да бъдат изследвани и далечни обекти, за които разделителната способност на нормалните телескопи и недостатъчна.
Природата на светлината
Вълни, частици и кристали
Преди Айнщайн и за природата на светлината се е знаело твърде малко: За Исак Нютон през 17-ти век светлината не е нищо повече от куп миниатюрни светещи частици; неговият съвременник астрономът Кристиан Хюйгенс обаче оспорва тази теория и от своя страна започва да говори за „светлинна вълна“.
Рисунка на Томас Йънг, изобразяваща интерференцията на светлината
Вълна или частица?
Възгледът на Хюйгенс се налага едва по-късно, когато около 1800 година в един класически експеримент физикът Томас Йънг доказва, че в зависимост от фазата светлинни лъчи с еднаква дължина на вълната могат да си взаимодействат по такъв начин, че да се усилват или отслабват взаимно (до пълното им погасяване) – интерференция като при падащи една върху друга вълни върху езеро. Оттогава се смята за доказано, че светлината притежава вълнови свойства.
Айнщайн обаче слага край и на тази представа. Прозрението идва в процеса на търсенето му на обяснение за фотоелектричния ефект – факта, че от метална повърхност може да се отдели богат на енергия поток от електрони. През 1905 той публикува заключенията си в тази връзка. Според него светлината не е чиста вълна, а обединява в себе си свойствата и на вълна, и на частица. Светлината се състои от фотони и затова при определени обстоятелства се проявява като сноп от частици. Същевременно обаче тя се разпространява и трепти като вълна – и до ден днешен труден за възприемане дуализъм.
Нормална лазерна светлина: Отделните фотони не се сблъскват, съответно не взаимодействат помежду си.
Снимка: gemeinfrei
Молекули от светлина
Според общоприетата теория фотоните на светлината са строги самотници: те нямат маса и не си влияят един на друг. В светлинния лъч всеки един от тях се държи така, все едно пътува сам на далечно разстояние. През септември 2013 година обаче физици успяха да заобиколят и тази привидна сигурност и в известна степен да манипулират светлината: „Създадохме среда, в която фотоните толкова силно комуникират помежду си, че започват да се държат така, все едно притежават маса. И се свързват едни с други, образувайки един вид молекули“, обяснява Микаил Лукин от Университета Харвард.
Учените успяват да задържат светлината в това състояние на свързани помежду си фотони във вакуумна камера, в която охлаждат облак от атоми на рубидий до температура няколко градуса над абсолютната нула. В този облак с помощта на лазер те едновременно бомбардират два отделни фотона. И изненадата е налице: Вследствие на взаимодействие с газовите атоми двете частици започват да се държат като молекула: Те се отблъскват и привличат взаимно – един напълно нетипичен ефект за фотони.
Синхронните вълни показват, че фотоните имат координирано поведение като в кристал. Илюстрация: Princeton University
Кристал от светлина
Още по-напред стигат физиците точно 1 година по-късно през септември 2014: Те предизвикват светлината да кристализира. Фотоните взаимно се придържат в едно цяло, образувайки един вид решетка. Частиците изграждат нещо подобно на колективно поведение, при което на моменти се движат напред назад подобно на течност, на моменти напълно замръзват. „Това е нещо, което не сме виждали никога преди – напълно ново за светлината поведение“, казва Андрю Хоук от Университета Принстън.
И този ефект учените постигат, използвайки взаимодействието между светлина и материя. С помощта на т.нар. димер на Джейнс-Къмингс те принуждават малко количество фотони да се движи насам-натам между два резонатора. При определени условия при „замръзване“ на фотоните се наблюдава своеобразна решетка. Изследователите са на мнение, че подобни манипулации на светлината дават шанс за разработване например на материали със съвсем нови свойства. Те освен това предоставят възможност за проучване на фундаментални свойства на материята, на атомите и молекулите.
Формулата
Какво свързва светлината и материята
Алберт Айнщайн пред своята известна формула E=mc2 Снимка: © Berto Garcia/ CC-by-sa 2.0 gen
Тази формула вероятно познава почти всеки – дори и онези, които ни най-малко не се интересуват от физика: E=mc2. И тя има общо както със светлината, така и с Алберт Айнщайн, който я извежда през 1905. Какво обаче означава тя? Принципно тя не описва нищо повече от съотношението енергия/материя и дава теоретичната основа за предположението, че материята може да се превръща в светлина и обратното – лъчението може да се преобразува в материя.
По-ярко от хиляди слънца
На първо място това можем да наблюдаваме при нашето Слънце: Във вътрешността му се извършва сливане на водородни ядра, при което се излъчва голямо количество лъчение. Този синтез дава началото на светлината, без която животът на Земята би бил немислим. Същевременно вследствие на това лъчение Слънцето непрекъснато губи нищожна част от масата си, която обаче е толкова малка, че е невъзможно да бъде установена от нас.
Експлозия на атомна бомба при ядрен опит през 1948 година. Снимка: U.S. Air Force
По-ясно това може да бъде наблюдавано при феномена радиоактивност или по-точно при атомна експлозия: При разпада на урановото ядро се отделя огромно количество енергия – 200 млн. електронволта. Следователно съвсем малка част от този елемент може да срине цели градове. Дали при това материята действително се е преобразувала в лъчение, може да се разбере ако се съберат и претеглят всички отпадни продукти от урановото ядро: Частиците са малко по-леки от преди взрива – липсва около 1/5 от масата на фотона. Тази част от материята се е преобразувала в енергия при разпада на урановото ядро.
Материя от светлина – теорията на Брейт-Уилър
Но как стои въпросът с обратния процес? Може ли от светлина да се образува материя? Принципно да, твърдят физиците Грегъри Брейт и Джон Уилър още през 1943. Чрез уравнение те доказват, че сблъсъкът между два фотона теоретично е достатъчен, за да създаде един електрон и един позитрон – а с това и материални частици. Впрочем: за да се осъществи подобен сблъсък, е необходима изключително голяма гъстота на фотони, а те трудно се създават в експериментални условия.
Материя от светлина – теоретично предсказано много отдавна. Илюстрация: NASA
Метод, чрез който това все пак би било възможно, предлагат през май 2014 Оливър Пайк и неговите колеги от Кралския колеж в Лондон. Изненадващото в това е следното: За целта са необходими само технологии и съоръжения, които вече са налични. Самото преобразуване би било относително лесно, твърдят те.
Необходим е сноп от електрони с изключително голяма енергия (като тези, които се създават в синхротроните), който се насочва към парче злато. Възникналото в резултат на това гама-лъчение се отвежда в т.нар. вакуум-свободно пространство – съвсем малка вдлъбнатина във второ парче злато, запълнена с фотони. Там фотоните на лъча и на полето се сблъскват и в идеалния случай образуват съответно електрон-позитронни двойки. „С това състезанието за провеждане на този експеримент за първи път се увенча с успех“, споделя Пайк.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари