Z čoho sa skladá lúč svetla?

Preklad článku BBC What is a ray of light made of?.

Je všade okolo nás a vďaka nemu vidíme svet. Väčšina z nás by však mala problém vysvetliť, čo je vlastne svetlo.

Svetlo nám umožňuje pochopiť svet, v ktorom žijeme. Napriek tomu je samo niečím, čomu nedokážeme tak ľahko porozumieť. Ak by sme sa zblízka pozreli na lúče svetla, čo by sme videli? Samozrejme, svetlo sa pohybuje veľmi rýchlo – no čo presne sa vlastne hýbe? Mnohí sa pokúšajú objasniť túto problematiku.

Vysvetlenie však nemusí byť až také nereálne – významné objavy posledných stopäťdesiatich rokov tak trochu poodhalili rúško tajomstva, ktoré obklopuje svetlo. Teraz viac-menej vieme, čo presne svetlo je.

Dnešní fyzici nielen chápu podstatu svetla, ale učia sa aj ovládať ho s čoraz väčšou presnosťou – to znamená, že by sa mohli nájsť ďalšie nové spôsoby, ako využiť svetlo.

Čo to prechádza stromami?

Existuje mnoho spôsobov, ako popísať svetlo. Začať by sme mohli tým, že svetlo je formou žiarenia.

Azda to dáva aspoň trochu zmysel. Vieme, že priveľa slnečného žiarenia môže spôsobiť rakovinu kože. Taktiež vieme, že vystavenie radiácii môže zvýšiť riziko rakoviny, takže nie je ťažké dať si dve a dve dokopy.

Nie všetky formy žiarenia sú však rovnaké. Až koncom 19. storočia vedci objavili presnú „identitu“ svetelného žiarenia.

Čo je zvláštne, tento objav neprišiel vďaka skúmaniu svetla. Namiesto toho ho priniesli desaťročia práce s elektrinou a magnetizmom.

Elektrický prúd vytvára magnetické pole

Elektrina a magnetizmus sa zdajú ako dve poriadne odlišné veci. Avšak vedci ako Hans Christian Oersted a Michael Faraday konštatovali, že sú pevne prepletené.

Oersted zistil, že elektrický prúd, ktorý prechádza drôtom, spôsobuje odklon strelky magnetického kompasu. Zatiaľ Faraday prišiel na to, že priblíženie magnetu k drôtu môže spôsobiť vznik elektrického prúdu v drôte.

Vtedajší matematici rozšírili tieto pozorovania na teóriu, ktorá popisuje nový fenomén zvaný „elektromagnetizmus“. Až James Clerk Maxwell sa však pozrel na celý problém ako na celok.

Maxwellov prínos vede je obrovský. Albert Einstein, ktorého Maxwell inšpiroval, o ňom povedal, že navždy zmenil svet. Okrem iného pomohol svojimi výpočtami porozumieť, čo je svetlo.

Maxwell dokázal, že elektrické a magnetické polia sa pohybujú podobne ako vlny a tieto vlny sa pohybujú od podstaty rýchlosťou svetla. Umožnilo mu to predpovedať, že samotné svetlo prenášajú elektromagnetické vlny – čo znamená, že svetlo je formou elektromagnetického žiarenia.

Prvá stála farebná fotografia, ktorú vytvoril James Clerk Maxwell v roku 1861

Koncom 80. rokov 19. storočia, pár rokov po Maxwellovej smrti, nemecký fyzik Heinrich Hertz ako prvý formálne potvrdil správnosť Maxwellovho teoretického konceptu elektromagnetických vĺn.

„Som presvedčený, že ak by Maxwell a Hertz žili počas obdobia udeľovania Nobelovej ceny, obaja by ju mali,“ vraví Graham Hall z univerzity v Aberdeene v Spojenom kráľovstve, kde Maxwell pracoval koncom 50. rokov 19. storočia.

Maxwell si zaslúžil miesto v kronikách „svetelnej vedy“ i z ďalšieho, praktickejšieho dôvodu. V roku 1861 ukázal prvú stálu farebnú fotografiu, ktorú vytvoril s použitým trojfarebného filtračného systému, aký je i v súčasnosti základom farebnej fotografie.

Napriek tomu je myšlienka, že svetlo je formou elektromagnetického žiarenia, pomerne nekonkrétna. Pomáha nám však vysvetliť niečo, čo všetci intuitívne chápeme: svetlo je spektrom farieb.

Učíme sa, že dúha obsahuje sedem skupín farieb

Takéto pozorovanie uskutočnil už Isaac Newton. Kedykoľvek sa objaví na oblohe dúha, vidíme spektrum farieb v celej jeho kráse – a všetky tie farby sú priamo spojené s Maxwellovým konceptom elektromagnetických vĺn.

Červené svetlo na jednom konci dúhy je elektromagnetickým žiarením s vlnovou dĺžkou zhruba 620 až 750 nanometrov; fialové svetlo na opačnej strane dúhy je žiarením s vlnovou dĺžkou od 380 do 450 nanometrov.

Elektromagnetické žiarenie však zahŕňa omnoho viac než len tieto viditeľné farby. Svetlo, ktorého vlnové dĺžky sú len o čosi dlhšie než vlnové dĺžky červeného svetla, nazývame infračervené. Svetlo, ktorého vlnové dĺžky sú len o trochu kratšie než vlnové dĺžky fialového svetla, nazývame ultrafialové.

Ultrafialovú vidia mnohé zvieratá a aj niektorí ľudia, ako tvrdí Eleftherios Goulielmakis z Inštitútu kvantovej optiky Maxa Plancka v nemeckom Garchingu. Za určitých okolností môže byť pre ľudí viditeľné aj infračervené svetlo. Možno preto nie je až také prekvapivé, že ultrafialová aj infračervená sa považujú za formy svetla.

Ak by sme sa však dostali k ešte dlhším – či kratším – vlnovým dĺžkam, o „svetle“ by sme už hovoriť nemohli.

Elektromagnetické spektrum zahŕňa omnoho viac než len svetlo

Pod úrovňou ultrafialového žiarenia môžu mať elektromagnetické vlnové dĺžky rozmer len 100 nanometrov – a tam patria röntgenové či gama lúče. Röntgenové lúče sa často nepopisujú ako forma svetla.

„Vedec by nepovedal, že ,ožaruje cieľ röntgenovým svetlom‘. Povedal by, že ,používa röntgenové lúče‘,“ hovorí Goulielmakis.

Nad úrovňou infračerveného žiarenia sa môžu elektromagnetické vlnové dĺžky natiahnuť od 1 centimetra až po tisíce kilometrov. Tieto elektromagnetické vlny sa nazývajú mikrovlny alebo rádiové vlny. Môže sa zdať trochu zvláštne, že práve o rádiových vlnách, ktoré využíva rozhlas, by sme mali uvažovať ako o svetle.

„Neexistuje žiadny fyzický rozdiel medzi rádiovými vlnami a viditeľným svetlom, ak sa na ne dívame očami fyziky,“ tvrdí Goulielmakis. „Dajú sa opísať úplne rovnakými rovnicami a rovnakou matematikou.“ Iba náš každodenný jazyk ich vníma odlišne.

Máme tu teda ďalšiu formu svetla. Naše oči dokážu vnímať iba veľmi úzku časť elektromagnetického spektra. Inými slovami, svetlo je subjektívnym označením, ktoré používame, pretože naše zmysly sú obmedzené.

Aby sme pochopili, nakoľko subjektívny je náš koncept svetla, vráťme sa k dúhe.

Dúha nám ukazuje všetky skupiny viditeľného svetla

Väčšina ľudí vie, že svetelné spektrum obsahuje sedem hlavných farieb: červenú, oranžovú, žltú, zelenú, modrú, indigovú a fialovú. Dokonca sa učíme mnemotechnické pomôcky na ich zapamätanie („červená sa pomaranč žltý, zelená sa modrá fialka“ :)).

Keď sa pozrieme na dúhu, dokážeme presvedčiť seba samých, že vidíme všetkých sedem farieb. No samotný Newton mal problém všetky ich uzrieť.

V skutočnosti dnes výskumníci predpokladajú, že rozdelil dúhu na sedem farieb iba preto, lebo sedmička bola veľmi významným číslom v dávnych kultúrach: existuje sedemtónová stupnica či sedem dní v týždni.

Maxwellovo skúmanie elektromagnetizmu nám ukázalo, že viditeľné svetlo je súčasťou väčšieho spektra žiarenia. Takisto sa zdalo, že konečne objasnilo podstatu svetla.

Svetlo sa odráža od zrkadiel veľmi presnými smermi

Vedci sa dlhé storočia snažili zachytiť základnú formu svetla, v ktorej cestuje k našim očiam zo svojho zdroja.

Niektorí si mysleli, že sa pohybuje vo forme vĺn alebo akýchsi „kučierok“, či už vzduchom, alebo nejasnejším „éterom“. Iní sa nazdávali, že model vĺn je nesprávny, a predstavovali si svetlo ako prúd drobučkých častíc.

Newtonovi sa viac pozdávala druhá možnosť – najmä na základe experimentov, ktoré uskutočnil s pomocou svetla a zrkadiel.

Zistil, že svetelné lúče sa riadia veľmi prísnymi geometrickými pravidlami. Ak nasmerujeme lúč svetla na zrkadlo, odrazí sa presne rovnakým smerom, ako keby sme hodili do zrkadla loptu. Usúdil, že vlny sa nie vždy pohybujú v takých predvídateľných rovných čiarach, takže svetlo musia prenášať nejaké malé beztiažové častice.

Problém je v tom, že existovali rovnako presvedčivé dôkazy, že svetlo sú vlny.

Dvojštrbinový experiment ukazuje, že svetlo má vlnovú povahu

Jedna z najznámejších ukážok sa odohrala v roku 1801. Dvojštrbinový experiment Thomasa Younga je pokus, ktorý môže ktokoľvek uskutočniť u seba doma.

Stačí vziať hrubý hárok papiera a vytvoriť v ňom dve vertikálne štrbiny. Potom treba ešte súvislý zdroj svetla, ktorý vytvára svetlo určitej vlnovej dĺžky: postačí laser. Teraz prepustíme svetlo cez štrbiny na iný povrch.

Očakávali by sme, že na tom druhom povrchu uvidíme dve jasné vertikálne čiary, cez ktoré prechádza svetlo. Keď však Young uskutočnil tento experiment, uvidel namiesto toho sériu svetlých a tmavých čiar pripomínajúcich čiarový kód.

Súvislé svetlo (vľavo) sa skreslí na vlny (vpravo)

Keď svetlo prechádza tenkými štrbinami, správa sa rovnako ako vlny na vodnej hladine, keď prechádzajú úzkym otvorom: ohnú sa a roztiahnu vo forme polguľových vĺn.

Tam, kde sa „svetelné vlny“ z dvoch štrbín zrazia mimo fázového posunu, vzájomne sa „zrušia“ a vytvoria tmavé čiary. Ak sa zrazia vo fáze, spoja sa a vytvoria žiarivé vertikálne čiary.

Youngov experiment priniesol presvedčivé potvrdenie vlnového modelu a Maxwellova práca poskytla pevný matematický základ. Svetlo je vlna.

Potom však nastala kvantová revolúcia.

Žiarovky závisia na substanciách, ktoré vysielajú elektromagnetické žiarenie

V druhej polovici 19. storočia sa fyzici snažili pochopiť, ako a prečo niektoré materiály absorbujú a vysielajú elektromagnetické žiarenie lepšie než iné.

V tom čase sa rozvíjal priemysel elektrického svetla a teda materiály, ktoré dokážu vyžarovať svetlo, boli veľmi dôležité.

Vedci do konca 19. storočia zistili, že množstvo elektromagnetického žiarenia, ktoré vychádza z objektu, sa mení v závislosti na jeho teplote – a tieto zmeny zmerali. Nik však nevedel, prečo je to tak.

V roku 1900 vyriešil tento problém Max Planck. Prišiel na to, že výpočty by mohli takéto zmeny objasniť, ale iba za predpokladu, že elektromagnetické žiarenie sa zdržiava v drobných nespojitých „balíčkoch“. Planck ich nazval „kvantá“.

O niekoľko rokov neskôr Einstein použil túto myšlienku pri vysvetlení ďalšieho záhadného experimentu.

Hranol rozptyľuje biele svetlo na jednotlivé farby, ktoré obsahuje

Fyzici zistili, že kus kovu získava kladný náboj, keď sa „kúpe“ vo viditeľnom alebo ultrafialovom svetle. Tento úkaz nazvali „fotoelektrický jav“.

Vysvetlenie spočívalo v tom, že atómy kovu prichádzali o záporne nabité elektróny. Podľa všetkého svetlo poskytuje kovu dostatok energie na to, aby zo seba niektoré elektróny „striasal“.

Bol tu však jeden zvláštny detail v tom, čo elektróny robia. Zdalo sa, že by mohli obsahovať viac energie iba vďaka zmene farby svetla. Konkrétne, elektróny vychádzajúce z kovu „kúpajúceho sa“ v ultrafialovom svetle by obsahovali viac energie ako elektróny vychádzajúce z kovu „kúpajúceho sa“ v červenom svetle.

Ak by svetlo bolo len vlnou, nedávalo by to zmysel.

Slnečné svetlo prechádzajúce cez mračná

Zmenu množstva energie vo vlne je možné dosiahnuť tým, že jej dodáme väčšiu výšku – stačí predstaviť si ničivú silu vysokej cunami –, nie tým, že ju predĺžime či skrátime.

Z toho vyplýva, že najlepší spôsob, ako zvýšiť energiu, ktorú svetlo prenáša do elektrónov, by mal byť zvýšenie svetelných vĺn: čiže rozjasnenie svetla. Zmena vlnovej dĺžky a teda i farby by nemala znamenať až taký rozdiel.

Einstein si uvedomil, že fotoelektrický jav je možné lepšie pochopiť v rámci Planckových kvánt.

Usúdil, že svetlo sa prenáša v kvantových balíčkoch. Každé kvantum obsahuje nespojitú energiu, ktorá je závislá na vlnovej dĺžke: čím je vlnová dĺžka kratšia, tým hustejšia je energia. Vysvetľovalo by to, prečo balíčky ultrafialového svetla s relatívne krátkou vlnovou dĺžkou nesú viac energie ako balíčky červeného svetla s relatívne dlhšou vlnovou dĺžkou.

Taktiež to vysvetľuje, prečo prosté zvýšenie jasnosti svetla nemá až taký veľký dopad.

Svetlo nám umožňuje vnímať svet okolo nás

Jasnejší zdroj svetla prináša kovu viac svetelných balíčkov, avšak nemení množstvo energie, ktorú obsahuje každý balíček. Dá sa povedať, že jediný balíček fialového svetla by mohol preniesť viac energie jednému elektrónu než akýkoľvek počet balíčkov červeného svetla.

Einstein nazval tieto balíčky energie fotónmi – a práve tie dnes považujeme za základné častice. Fotóny prenášajú viditeľné svetlo a aj všetky ďalšie druhy elektromagnetického žiarenia vrátane röntgenových lúčov, mikrovĺn a rádiových vĺn. Inými slovami, svetlo je častica.

V tomto bode sa fyzici rozhodli ukončiť debatu ohľadom toho, či sa svetlo správa ako vlna, alebo ako častica. Oba modely boli natoľko presvedčivé, že ani jeden nemohli odmietnuť.

Zmätok mnohých nefyzikov vyvolalo presvedčenie fyzikov, že svetlo sa správa zároveň ako vlna i ako častica. Čiže – svetlo je paradox.

Avšak fyzici nemajú žiadny problém s rozdelenou identitou svetla. V podstate to dodáva svetlu dvojnásobné využitie. V súčasnosti môžeme vďaka práci osvietencov – doslovne „nositeľov svetla“ – ako Maxwell či Einstein využiť svetlo ešte viac.

Páry častíc sa môžu „prepletať“

Vysvitlo, že rovnice používané pre popis svetla ako vlny a svetla ako častice fungujú rovnako dobre, avšak v určitých podmienkach je jedna vhodnejšia než druhá. Fyzici teda používajú striedavo obe rovnako, ako my ostatní využívame metre, aby sme popísali svoju vlastnú výšku, ale prechádzame ku kilometrom, keď opisujeme jazdu na bicykli.

Niektorí fyzici sa snažia využiť svetlo pri tvorbe šifrovaných komunikačných kanálov: napríklad v oblasti finančných transakcií. V takýchto prípadoch dáva zmysel uvažovať o svetle ako o časticiach.

Je to preto, lebo v kvantovej fyzike existuje ďalšia zvláštna „slučka“. Dve základné častice, ako napríklad dvojica fotónov, sa môžu „prepliesť“. Znamená to, že zdieľajú určité vlastnosti bez ohľadu na to, ako sú od seba vzdialené, takže ich možno použiť na komunikáciu informácií medzi dvomi bodmi na Zemi.

Ďalšou výhodou tohto prepletenia je to, že kvantový stav fotónov sa mení, keď ich niekto „číta“. Čiže ak by ktokoľvek sledoval šifrovaný kanál komunikácie s pomocou využitia kvantových vlastností svetla, teoreticky by sa okamžite prezradil.

Ďalší, ako trebárs Goulielmakis, využívajú svetlo v elektronike. Pre nich je omnoho užitočnejšie dívať sa na svetlo ako na sled vĺn, ktoré možno skrotiť a ovládať.

Tvoria tento stĺp svetla vlny, alebo drobné častice?

Moderné zariadenia zvané „syntetizéry svetelného poľa“ dokážu svetelné vlny dokonale zosynchronizovať. V dôsledku toho vytvárajú svetelné impulzy, ktoré sú omnoho intenzívnejšie, krátkodobejšie a usmernenejšie než svetlo z obyčajnej žiarovky.

V roku 2004 Goulielmakis a jeho kolegovia vytvorili neuveriteľne krátke impulzy röntgenového žiarenia. Každý impulz trval iba 250 attosekúnd, čiže 250 kvintiliónov sekundy.

S využitím drobných impulzov napríklad z kamery sa im podarilo zachytiť individuálne vlny viditeľného svetla, ktoré sa kmitajú veľmi pomaly. Doslova spravili fotografie pohybu svetelných vĺn.

„Už od čias Maxwella vieme, že svetlo je kmitajúce elektromagnetické pole; nikomu sa však ani nesnívalo, že sa nám podarí zachytiť toto kmitanie,“ hovorí Goulielmakis.

Zachytenie týchto individuálnych svetelných vĺn je prvý krok na ceste k ich ovládnutiu a modelovaniu, tvrdí, hoci už modelujeme omnoho dlhšie elektromagnetické vlny, ako napríklad rádiové vlny, ktoré prenášajú rádiový a televízny signál.

Optické počítače využívajú namiesto elektriny svetlo

Pred storočím fotoelektrický jav ukázal, že viditeľné svetlo ovplyvňuje elektróny v kove. Goulielmakis vraví, že by malo byť možné presne manipulovať týmito elektrónmi s využitím vĺn viditeľného svetla, ktoré boli vyformované pre interakciu s kovom presne definovaným spôsobom. „Dokážeme kontrolovať svetlo a vďaka tomu môžeme kontrolovať hmotu,“ tvrdí.

Mohlo by to spôsobiť revolúciu v elektronike a viesť k novým generáciám optických počítačov, ktoré sú menšie a rýchlejšie než tie, čo máme dnes. „Stačí nasmerovať elektróny tam, kam potrebujeme, a tým vytvoríme elektrický prúd s použitím svetla.“

Je teda ešte jeden spôsob, ako popísať svetlo: svetlo je nástroj.

Nie je to žiadna novinka. Život je spojený so svetlom, odkedy si prvé živé organizmy vyvinuli tkanivá citlivé na svetlo. Ľudské oči sú detektormi fotónov, ktoré využívajú viditeľné svetlo, aby spoznávali okolitý svet.

Moderná technológia sa snaží využiť túto myšlienku ešte viac. V roku 2014 získali Nobelovu cenu za chémiu výskumníci, ktorí vyrobili mikroskop taký silný, až sa zdalo, že je fyzicky nemožné, aby existoval. Zdá sa, že svetlo nám môže ukázať veci, o ktorých sme si mysleli, že ich vôbec neuvidíme.