Hij is om ons heen en laat ons de wereld zien. Maar vraag het een van ons, en de meesten zullen niet kunnen uitleggen wat dit licht werkelijk is. Licht helpt ons de wereld waarin we leven te begrijpen. Onze taal weerspiegelt dit: in duisternis bewegen we door aanraking, we beginnen licht te zien samen met het begin van de dageraad. En toch begrijpen we het licht nog lang niet volledig. Als je een lichtstraal dichterbij brengt, wat zit er dan in? Ja, licht beweegt ongelooflijk snel, maar kan het niet worden gebruikt voor reizen? Enzovoort.
Dit mag natuurlijk niet het geval zijn. Licht heeft de beste geesten eeuwenlang in verwarring gebracht, maar historische ontdekkingen in de afgelopen 150 jaar hebben geleidelijk de sluier van mysterie over dit mysterie opgeheven. Nu begrijpen we min of meer wat het is.
Natuurkundigen van onze tijd begrijpen niet alleen de aard van licht, maar proberen het ook met ongekende precisie te beheersen - wat betekent dat licht heel snel op de meest verbazingwekkende manier kan werken. Om deze reden hebben de Verenigde Naties 2015 uitgeroepen tot Internationaal Jaar van het Licht.
Licht kan op allerlei manieren worden beschreven. Maar het loont de moeite om hiermee te beginnen: licht is een vorm van straling (straling). En deze vergelijking is logisch. We weten dat teveel zonlicht huidkanker kan veroorzaken. We weten ook dat blootstelling aan straling u in gevaar kan brengen voor sommige vormen van kanker; het is gemakkelijk om parallellen te trekken.
Maar niet alle vormen van straling zijn gelijk gemaakt. Aan het einde van de 19e eeuw waren wetenschappers in staat om de exacte essentie van lichtstraling te bepalen. En het vreemdste is dat deze ontdekking niet voortkwam uit de studie van licht, maar uit tientallen jaren werk aan de aard van elektriciteit en magnetisme.
Elektriciteit en magnetisme lijken totaal verschillende dingen te zijn. Maar wetenschappers zoals Hans Christian Oersted en Michael Faraday hebben ontdekt dat ze diep met elkaar verweven zijn. Oersted ontdekte dat een elektrische stroom die door een draad gaat, de naald van een magnetisch kompas afbuigt. Ondertussen ontdekte Faraday dat het bewegen van een magneet in de buurt van een draad een elektrische stroom in de draad kan opwekken.
De wiskundigen van die tijd gebruikten deze waarnemingen om een theorie te creëren die dit vreemde nieuwe fenomeen beschrijft, dat ze 'elektromagnetisme' noemden. Maar alleen James Clerk Maxwell kon het volledige plaatje beschrijven.
Maxwells bijdrage aan de wetenschap kan nauwelijks worden overschat. Albert Einstein, die werd geïnspireerd door Maxwell, zei dat hij de wereld voor altijd veranderde. Zijn berekeningen hielpen ons onder andere te begrijpen wat licht is.
Promotie video:
Maxwell toonde aan dat elektrische en magnetische velden in golven reizen, en deze golven reizen met de snelheid van het licht. Hierdoor kon Maxwell voorspellen dat licht zelf wordt gedragen door elektromagnetische golven - wat betekent dat licht een vorm van elektromagnetische straling is.
In de late jaren 1880, enkele jaren na Maxwells dood, was de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz de eerste die officieel aantoonde dat Maxwells theoretische concept van de elektromagnetische golf correct was.
"Ik weet zeker dat als Maxwell en Hertz in het tijdperk van de Nobelprijs zouden leven, ze er zeker een zouden ontvangen", zegt Graham Hall van de Universiteit van Aberdeen in het Verenigd Koninkrijk, waar Maxwell eind jaren vijftig werkte.
Maxwell staat om een andere, meer praktische reden in de annalen van de wetenschap van het licht. In 1861 onthulde hij de eerste stabiele kleurenfotografie met behulp van het driekleurenfiltersysteem, dat de basis legde voor vele vormen van kleurenfotografie vandaag.
Alleen al de zin dat licht een vorm van elektromagnetische straling is, zegt niet veel. Maar het helpt om te beschrijven wat we allemaal begrijpen: licht is een spectrum van kleuren. Deze observatie gaat terug op het werk van Isaac Newton. We zien het kleurenspectrum in al zijn glorie wanneer een regenboog aan de hemel oprijst - en deze kleuren zijn direct gerelateerd aan Maxwell's concept van elektromagnetische golven.
Het rode licht aan het ene uiteinde van de regenboog is elektromagnetische straling met een golflengte van 620 tot 750 nanometer; de violette kleur aan de andere kant is straling met een golflengte van 380 tot 450 nm. Maar elektromagnetische straling is meer dan zichtbare kleuren. Licht met een golflengte langer dan rood noemen we infrarood. Licht met een golflengte korter dan violet wordt ultraviolet genoemd. Veel dieren kunnen zien in ultraviolet licht, en sommige mensen kunnen ook zien, zegt Eleftherios Gulilmakis van het Max Planck Institute for Quantum Optics in Garching, Duitsland. In sommige gevallen zien mensen zelfs infrarood. Misschien is dat de reden waarom het ons niet verbaast dat we ultraviolette en infrarode vormen van licht noemen.
Merkwaardig is echter dat als de golflengten nog korter of langer worden, we ze niet langer 'licht' noemen. Buiten ultraviolet kunnen elektromagnetische golven korter zijn dan 100 nm. Dit is het rijk van röntgenstralen en gammastralen. Heb je ooit gehoord dat röntgenstralen een vorm van licht worden genoemd?
"Een wetenschapper zal niet zeggen: 'Ik schijn door een object met röntgenlicht.' Hij zal zeggen "Ik gebruik röntgenstralen", zegt Gulilmakis.
Ondertussen strekken golven zich buiten infrarode en elektromagnetische golflengten uit tot 1 cm en zelfs duizenden kilometers. Dergelijke elektromagnetische golven worden microgolven of radiogolven genoemd. Sommigen vinden het misschien vreemd om radiogolven als licht waar te nemen.
"Er is fysisch niet veel fysiek verschil tussen radiogolven en zichtbaar licht", zegt Gulilmakis. "Je beschrijft ze met dezelfde vergelijkingen en wiskunde." Alleen onze dagelijkse perceptie onderscheidt ze.
Zo krijgen we een andere definitie van licht. Dit is een zeer smal bereik van elektromagnetische straling dat onze ogen kunnen zien. Met andere woorden, licht is een subjectief label dat we alleen gebruiken vanwege de beperkingen van onze zintuigen.
Als je meer gedetailleerd bewijs wilt van hoe subjectief onze perceptie van kleur is, denk dan aan de regenboog. De meeste mensen weten dat het spectrum van licht zeven primaire kleuren bevat: rood, oranje, geel, groen, cyaan, blauw en violet. We hebben zelfs handige spreekwoorden en gezegden over jagers die willen weten waar een fazant is. Kijk naar een mooie regenboog en probeer ze alle zeven te zien. Zelfs Newton slaagde er niet in. Wetenschappers vermoeden dat de wetenschapper de regenboog in zeven kleuren heeft verdeeld, aangezien het getal 'zeven' erg belangrijk was voor de antieke wereld: zeven noten, zeven dagen van de week, enz.
Maxwells werk op het gebied van elektromagnetisme bracht ons een stap verder en toonde aan dat zichtbaar licht deel uitmaakt van een breed spectrum van straling. De ware aard van licht werd ook duidelijk. Eeuwenlang hebben wetenschappers geprobeerd te begrijpen welke vorm licht eigenlijk aanneemt op een fundamentele schaal terwijl het van de lichtbron naar onze ogen reist.
Sommigen geloofden dat licht beweegt in de vorm van golven of rimpelingen, door de lucht of de mysterieuze "ether". Anderen dachten dat dit golfmodel gebrekkig was en beschouwden licht als een stroom van kleine deeltjes. Newton neigde naar de second opinion, vooral na een reeks experimenten die hij uitvoerde met licht en spiegels.
Hij realiseerde zich dat de lichtstralen aan strikte geometrische regels voldoen. Een lichtstraal die in een spiegel wordt gereflecteerd, gedraagt zich als een bal die rechtstreeks in een spiegel wordt geworpen. Golven zullen niet noodzakelijk deze voorspelbare rechte lijnen volgen, stelde Newton voor, dus licht moet worden gedragen door een of andere vorm van kleine, massaloze deeltjes.
Het probleem is dat er even overtuigende bewijzen waren dat licht een golf is. Een van de duidelijkste demonstraties hiervan was in 1801. Het Thomas Young-experiment met dubbele spleet kan in principe zelfstandig thuis worden gedaan.
Neem een vel dik karton en snijd er voorzichtig twee dunne verticale insnijdingen in. Neem dan een ‘coherente’ lichtbron die alleen licht van een bepaalde golflengte uitzendt: een laser doet het prima. Richt het licht vervolgens naar twee spleten, zodat het bij het passeren op het andere oppervlak valt.
Je zou verwachten dat je twee heldere verticale lijnen ziet op het tweede oppervlak waar het licht door de spleten is gegaan. Maar toen Jung het experiment deed, zag hij een reeks lichte en donkere lijnen als een streepjescode.
Wanneer licht door dunne spleten gaat, gedraagt het zich als watergolven die door een nauwe opening gaan: ze verspreiden zich en verspreiden zich in de vorm van halfronde rimpelingen.
Wanneer dit licht door twee spleten gaat, dempt elke golf de andere, waardoor donkere vlekken ontstaan. Wanneer de rimpelingen samenkomen, vormt het een aanvulling om heldere verticale lijnen te vormen. Young's experiment bevestigde letterlijk het golfmodel, dus Maxwell zette het idee in solide wiskundige vorm. Licht is een golf.
Maar toen was er een kwantumrevolutie
In de tweede helft van de negentiende eeuw probeerden natuurkundigen erachter te komen hoe en waarom sommige materialen elektromagnetische straling beter absorberen en uitzenden dan andere. Opgemerkt moet worden dat de industrie voor elektrisch licht toen net in ontwikkeling was, dus materialen die licht kunnen uitstralen waren een serieuze zaak.
Tegen het einde van de negentiende eeuw ontdekten wetenschappers dat de hoeveelheid elektromagnetische straling die door een object wordt uitgezonden, verandert met de temperatuur, en maten deze veranderingen. Maar niemand wist waarom dit gebeurde. In 1900 loste Max Planck dit probleem op. Hij ontdekte dat berekeningen deze veranderingen kunnen verklaren, maar alleen als we aannemen dat elektromagnetische straling in kleine discrete delen wordt uitgezonden. Planck noemde ze "quanta", het meervoud van het Latijnse "quantum". Een paar jaar later nam Einstein zijn ideeën als basis en legde hij nog een verrassend experiment uit.
Natuurkundigen hebben ontdekt dat een stuk metaal positief geladen wordt wanneer het wordt bestraald met zichtbaar of ultraviolet licht. Dit effect werd foto-elektrisch genoemd.
De atomen in het metaal verloren negatief geladen elektronen. Blijkbaar leverde het licht genoeg energie aan het metaal om een deel van de elektronen vrij te geven. Maar waarom elektronen dit deden, was niet duidelijk. Ze zouden meer energie kunnen vervoeren door simpelweg de kleur van het licht te veranderen. Vooral elektronen die vrijkwamen door een metaal dat met violet licht werd bestraald, droegen meer energie dan elektronen die vrijkwamen door een metaal dat werd bestraald met rood licht.
Als licht slechts een golf was, zou het belachelijk zijn
Gewoonlijk verander je de hoeveelheid energie in de golf, waardoor deze hoger wordt - stel je een grote tsunami van vernietigende kracht voor - en niet langer of korter. Meer in het algemeen is de beste manier om de energie die licht aan elektronen overbrengt te vergroten, door de lichtgolf hoger te maken: dat wil zeggen door het licht helderder te maken. Het veranderen van de golflengte, en dus het licht, had niet veel uit moeten maken.
Einstein realiseerde zich dat het foto-elektrische effect gemakkelijker te begrijpen is als je licht vertegenwoordigt in de terminologie van Planck-quanta.
Hij suggereerde dat licht wordt gedragen door kleine kwantumbrokjes. Elk kwantum draagt een deel van de discrete energie die bij een golflengte hoort: hoe korter de golflengte, hoe dichter de energie. Dit zou kunnen verklaren waarom de relatief korte golflengten van violet licht meer energie dragen dan de relatief lange delen van rood licht.
Het zou ook verklaren waarom het simpelweg verhogen van de helderheid van het licht het resultaat niet echt beïnvloedt.
Helderder licht geeft meer licht aan het metaal, maar dit verandert niets aan de hoeveelheid energie die door elk deel wordt gedragen. Globaal gesproken kan een deel van het violet licht meer energie overbrengen naar een elektron dan veel delen van rood licht.
Einstein noemde deze delen van energiefotonen en worden nu herkend als fundamentele deeltjes. Zichtbaar licht wordt gedragen door fotonen en ook andere vormen van elektromagnetische straling, zoals röntgenstraling, microgolven en radiogolven, worden gedragen. Met andere woorden, licht is een deeltje.
Hiermee besloten natuurkundigen het debat over waar licht van gemaakt is te beëindigen. Beide modellen waren zo overtuigend dat het geen zin had om er een af te staan. Tot verbazing van veel niet-natuurkundigen hebben wetenschappers besloten dat licht zich tegelijkertijd gedraagt als een deeltje en een golf. Met andere woorden, licht is een paradox.
Tegelijkertijd hadden natuurkundigen geen problemen met de gespleten persoonlijkheid van licht. Dit maakte licht tot op zekere hoogte dubbel nuttig. Tegenwoordig, vertrouwen we op het werk van de armaturen in de letterlijke zin van het woord - Maxwell en Einstein - persen we alles uit het licht.
Het blijkt dat de vergelijkingen die worden gebruikt om lichtgolven en lichtdeeltjes te beschrijven even goed werken, maar in sommige gevallen is de ene gemakkelijker te gebruiken dan de andere. Dus natuurkundigen wisselen tussen hen, net zoals we meters gebruiken om onze eigen lengte te beschrijven, en kilometers verplaatsen om een fietstocht te beschrijven.
Sommige natuurkundigen proberen licht te gebruiken om gecodeerde communicatiekanalen te creëren, bijvoorbeeld voor geldoverdrachten. Het is logisch dat ze licht zien als deeltjes. Dit komt door de vreemde aard van de kwantumfysica. Twee fundamentele deeltjes, zoals een paar fotonen, kunnen ‘verstrengeld’ zijn. Dit betekent dat ze gemeenschappelijke eigenschappen hebben, ongeacht hoe ver van elkaar verwijderd zijn, dus ze kunnen worden gebruikt om informatie tussen twee punten op aarde uit te wisselen.
Een ander kenmerk van deze verstrengeling is dat de kwantumtoestand van de fotonen verandert wanneer ze worden gelezen. Dit betekent dat als iemand probeert af te luisteren op een versleuteld kanaal, hij in theorie onmiddellijk zijn aanwezigheid zal verraden.
Anderen, zoals Gulilmakis, gebruiken licht in elektronica. Ze vinden het nuttiger om zich licht voor te stellen als een reeks golven die kunnen worden getemd en gecontroleerd. Moderne apparaten die lichtveldsynthesizers worden genoemd, kunnen lichtgolven perfect synchroon met elkaar samenbrengen. Als gevolg hiervan creëren ze lichtpulsen die intenser, kortstondig en meer gericht zijn dan het licht van een conventionele lamp.
In de afgelopen 15 jaar hebben deze apparaten geleerd om in extreme mate licht te temmen. In 2004 leerden Gulilmakis en zijn collega's hoe ze ongelooflijk korte pulsen van röntgenstralen konden produceren. Elke puls duurde slechts 250 attoseconden of 250 triljoen seconden.
Door deze piepkleine pulsen als een cameraflitser te gebruiken, konden ze beelden vastleggen van afzonderlijke golven zichtbaar licht die veel langzamer oscilleren. Ze namen letterlijk foto's van bewegend licht.
"Sinds de tijd van Maxwell wisten we dat licht een oscillerend elektromagnetisch veld is, maar niemand dacht zelfs dat we foto's van oscillerend licht konden maken", zegt Gulilmakis.
Het observeren van deze individuele lichtgolven was de eerste stap naar het manipuleren en modificeren van licht, zegt hij, net zoals we radiogolven veranderen om radio- en televisiesignalen over te dragen.
Een eeuw geleden toonde het foto-elektrische effect aan dat zichtbaar licht de elektronen in een metaal beïnvloedt. Gulilmakis zegt dat het mogelijk moet zijn om deze elektronen nauwkeurig te besturen met behulp van zichtbare lichtgolven die zijn aangepast om op een goed gedefinieerde manier in wisselwerking te staan met het metaal. "We kunnen licht manipuleren en het gebruiken om materie te manipuleren", zegt hij.
Dit kan een revolutie teweegbrengen in de elektronica, leiden tot een nieuwe generatie optische computers die kleiner en sneller zijn dan de onze. "We kunnen elektronen verplaatsen zoals we willen en elektrische stromen creëren in vaste stoffen met behulp van licht, en niet zoals bij gewone elektronica."
Hier is een andere manier om licht te omschrijven: het is een instrument
Maar niets nieuws. Het leven gebruikt licht sinds de eerste primitieve organismen lichtgevoelige weefsels ontwikkelden. De ogen van mensen vangen de fotonen van zichtbaar licht op, we gebruiken ze om de wereld om ons heen te bestuderen. Moderne technologie brengt dit idee nog verder. In 2014 werd de Nobelprijs voor scheikunde toegekend aan onderzoekers die een lichtmicroscoop bouwden die zo krachtig was dat het fysiek onmogelijk werd geacht. Het bleek dat als we het proberen, licht ons dingen kan laten zien waarvan we dachten dat we ze nooit zouden zien.
