Pogled na vidno svetlobo se je spreminjal

Ob mednarodnem letu svetlobe 2015 - Zaradi svetlobe okoli zvezd, kakršna je Sonce, nastane območje, na katerem razmere omogočajo življenje.
Objavljeno
31. marec 2015 17.11
Janez Strnad
Janez Strnad
Če ne bi bilo svetlobe, ne bi videli. Če ne bi bilo svetlobe, nas sploh ne bi bilo. Zaradi svetlobe okoli zvezd, kakršna je Sonce, nastane območje, na katerem razmere omogočajo življenje. Sončna svetloba Zemlji dovaja energijo. Del te energije se je v milijardah let nakopičil v zalogah goriv, ki jih zdaj izkoriščamo. Sončno svetlobo izkoriščajo sončne celice in tudi veter poganja Sonce.

Pogled na vidno svetlobo se je s časom razvijal. Razvoju je najbolje slediti tako, da omenimo nekaj izrazitih prelomnic. Pred tisoč leti je Ibn Al Hajtam ali Alhazen v Knjigi o optiki opisal poskuse, s katerimi je ugotovil, da nekatera telesa sevajo svetlobo in jo druga odbijajo. Vidimo, ker v oči vstopi svetloba. S tem je ovrgel predstavo grških modrecev, ki so si od 5. stoletja pr. n. št. predstavljali, da vidimo, ker nekaj izhaja iz oči. V okviru te predstave je Evklid okoli leta 300 pr. n. št. potovanje svetlobe in odboj opisal s premimi žarki, saj za geometrijo smer ni pomembna. Predstavo je zastopal še Ptolemaj, ki je okoli leta 150 delal poskuse tudi z lomom svetlobe.

Svetloba je valovanje

Thomas Young je na začetku 19. stoletja svetlobo opisal kot valovanje etra, zelo rahle tekočine z nemerljivo majhno gostoto. S tem je ovrgel predstavo, da svetlobo sestavljajo zelo hitri delci, pri kateri so vztrajali Isaac Newton in njegovi somišljeniki. Tako so zavrli razvoj predstave o svetlobi kot valovanju, ki jo je konec 17. stoletja zasnoval Christiaan Huygens. Najprej je Young svetlobo primerjal z zvokom, v katerem deli zraka nihajo v smeri potovanja in po zraku potujejo zgoščine in razredčine. Pri poskusu je opazoval temne in svetle proge pri interferenci svetlobe iz dveh rež. Ugotovil je, da meri valovna dolžina modre svetlobe 4 in rdeče 7 desettisočin milimetra.

Leta 1809 je Etienne Malus odkril, da na svetlobo lahko vplivamo s sukanjem naprave v ravnini, pravokotni na smer potovanja. Svetlobo je torej mogoče polarizirati, medtem ko zvoka ni mogoče. Young je domneval, da deli etra ne nihajo samo v smeri potovanja, ampak malo tudi v prečni smeri. Kaže, da se je potem svoje domneve ustrašil. Tekočine ne morejo prenašati prečnega, transverzalnega valovanja. Zato mora eter imeti lastnosti trdne snovi. Ni bilo mogoče pričakovati, da Zemlja v etru miruje. Pri gibanju po etru pa ni bilo zaznati nobenega upora. Kako naj bi to uskladili s predstavo o trdnem etru?

Augustine Fresnel je leta 1815 tudi zagovarjal misel, da je svetloba valovanje, ko še ni poznal Youngovega dela. Potem pa se ni zbal trdnega etra in je leta 1818 svetlobo uspešno dosledno opisal kot transverzalno valovanje etra.

Svetloba je elektromagnetno valovanje

James Clerk Maxwell se je namenil ugotovitve o elektriki in magnetizmu najuspešnejšega eksperimentatorja 19. stoletja Michaela Faradaya zajeti z matematiko. To mu je uspelo postopno. Najprej se je oprl na podobnost z raznimi pojavi v mehaniki in termodinamiki. Potem je opisal vse električne in magnetne pojave z enotnim modelom. Naposled je leta 1865 v Dinamični teoriji elektromagnetnega polja zavrgel »nekoliko nerodne modele« in uvedel električno in magnetno polje kot samostojni količini. Svetlobo je opisal kot transverzalno valovanje električnega in magnetnega polja. Električno polje niha pravokotno na magnetno polje, obe polji pa sta pravokotni na smer potovanja. Tako je poenotil teorije elektrike, magnetizma in optike. Optika se je zlila z elektrodinamiko, medtem ko je prej valovanje etra bilo bliže mehaniki.

Svetlobni kvanti

V svojem čudovitem letu 1905 je Albert Einstein v članku O hevrističnem gledišču, ki zadeva nastanek in spremembo svetlobe zatrdil, da potujejo svetlobni kvanti po praznem prostoru, »ne da bi se delili, in jih je mogoče absorbirati ali izsevati samo kot celote«. Energijske kvante je pet let prej vpeljal Max Planck, da je pojasnil sevanje črnega telesa. V ravnovesju pri dani temperaturi sevanje izmenjuje s steno votline energijo v obrokih, kvantih, sorazmernih s frekvenco. To je nasprotovalo prepričanju, da je sevanje energije zvezno. Planck je želel nasprotovanje omejiti in je zagotovil, da kvanti izvirajo od izmenjevanja energije med steno votline in sevanjem, česar, kakor je trdil, »še ne obvladamo«. Einstein pa se ni ustrašil nasprotovanja Maxwellovi elektrodinamiki. Tako je pojasnil fluorescenco, ionizacijo plinov s kratkovalovno svetlobo in fotoelektrični pojav, pri katerem svetloba iz kovine izbija elektrone. Planck in Einstein sta odprla pot kvantni teoriji svetlobe, ki je slabega pol stoletja pozneje pripeljala do kvantne elektrodinamike, ene od najbolj daljnosežnih teorij fizike. Za kvante se je uveljavilo ime fotoni.

Einstein je leta 1916 v članku Izsevanje in absorpcija sevanja po kvantni teoriji vpeljal stimulirano sevanje. V množici atomov si mislimo stanji z večjo in manjšo energijo. Atom iz stanja z manjšo energijo z absorpcijo fotona s pravo energijo preide v stanje z večjo energijo. Iz stanja z večjo energijo sam sebi prepuščeni atom s spontanim sevanjem preide v stanje z manjšo energijo. Pri stimuliranem sevanju pa imamo na začetku atom v stanju z večjo energijo in foton, na koncu pa atom v stanju z manjšo energijo in dva fotona z enako energijo in smerjo. V ravnovesju sodelujejo vsi trije pojavi, a v navadnih razmerah je delež stimuliranega sevanja zanemarljiv. Zato so mislili, da je to le teoretična posebnost brez praktičnega pomena.

Laserji

Pokazalo se je, da ni tako. Konec pomladi leta 1960 je Theodore Maiman izdelal prvi laser s kristalom rožnatega rubina. Laser je seval kratkotrajne svetlobne sunke. Še pred koncem tega leta je Ali Javan s sodelavcema izdelal plinski laser z mešanico helija in neona, ki je seval neprekinjeno. Pozneje so izdelali druge laserje, tudi majhne polprevodniške. S temi so najprej imeli težave, ki pa so jih v naslednjih letih premagali. Laserji sevajo zelo enobarvno svetlobo v zelo vzporednih curkih z zelo veliko gostoto energije. Z njimi so postali izvedljivi poskusi, ki si jih prej ni bilo mogoče zamisliti.

Svetlobna vlakna

Charles Kao je leta 1965 predlagal, da bi svetlobo prenašali po tankem vlaknu prozorne snovi. Osnovni pojav opazimo pri osvetljenih vodometih. Svetloba se na meji vodnega curka totalno odbije in ostane v njem, če ni preveč ukrivljen. Trajalo je precej časa, preden so izdelali vlakna iz nekristalnega kremena, ki je bil dovolj čist, da je svetlobo le neznatno absorbiral. Uporabljajo svetlobo z bližnjega infrardečega območja pri valovnih dolžinah 8,5 ali 3 ali 15,5 desettisočin milimetra. Prve optične telefone so uvedli leta 1977. Zdaj je vse površje Zemlje prepredeno s svetlobnimi kabli. Vsaj del telefonskih pogovorov poteka po takih kablih.

Razvila se je kvantna optika, ki je pripeljala do številnih zanimivih in koristnih pojavov. Obetajo si tudi računalnik, ki bo uporabljal svetlobo, kot današnji računalniki uporabljajo elektrone. Razvoju ni videti konca.