https://amsterdam.ninkilim.com/articles/light_energy_information_life/is.html
Fáir hugmyndir hafa borið jafn mikla táknræna þyngd í gegnum mannkynssöguna og ljósið. Löngu áður en við gátum mælt bylgjulengd þess eða reiknað orku þess, fann fólk að ljósið var meira en eðlisfræðilegt fyrirbæri – það var myndlíking fyrir lífið sjálft.
Í hebresku Biblíunni hefst sköpunin með orðunum: „Verði ljós.“ Í Kóraninum er Guð lýst sem „ljósi himnanna og jarðar.“ Í búddisma er upplýsing ástandið þegar maður vaknar til sannleikans. Í ýmsum hefðum er ljósið birtingarmynd guðdóms, hreinleika og visku. Myrkrið er hins vegar fáfræði, illska eða ringulreið.
Tungumál okkar varðveita þessar myndlíkingar. Við „varpum ljósi“ á vandamál, „sjáum ljósið“ þegar við skiljum, og köllum einhvern „snjallan“ þegar hann veitir innblástur. Þekking er ljósið sem fjarlægir skugga fáfræðinnar.
Löngu áður en nútíma trúarbrögð urðu til, fögnuðu menningar um allan heim vetrarsólstöðum – stysta degi ársins, þegar myrkrið nær hámarki og ljósið byrjar að snúa aftur. Fyrir snemma samfélög, sem voru háð sólinni fyrir hlýju og uppskeru, voru sólstöður vendipunktur lifunar og vonar. Eldar, veislur og helgisiðir fögnuðu endurfæðingu ljóssins. Þessi hefð var síðar fléttuð inn í kristni sem jólin, en dýpri táknmyndin er enn til staðar: endurnýjun lífsins með endurkomu sólarinnar. Jafnvel í dag minna sólstaðahátíðir okkur á miðlæga stöðu ljóssins í mannlegri menningu.
Ljósið hefur því alltaf verið meira en ljóseindir fyrir okkur: það er orka, upplýsingar og líf – bæði í efnislegum og andlegum skilningi.
Eftir að hafa lifað með myndlíkingum þess í árþúsundir sneru menn sér loks að vísindum til að spyrja: Úr hverju er ljósið raunverulega gert?
Ljóseind má hugsa sem smásjálega loftnet eða sveiflukring sem samanstendur af spóluvindum og þéttni – nema án nokkurra efnislegra hluta. Hún er til og breiðist út með því að umbreyta raforku í segulorku og aftur til baka, sjálfbær sveifla sem gerir ljósinu kleift að ferðast í gegnum rýmið.
En ljóseindir takmarkast ekki við þröngt band af litum sem sjást með augum okkar. Þær spanna gífurlegt svið, frá útvarpsbylgjum sem eru lengri en skýjakljúfar til gammageisla sem eru minni en kjarni atóms. Yfir þetta litróf móta þær alheiminn, viðhalda lífi og knýja mannlega siðmenningu.
Hver ljóseind er hægt að lýsa á þrjá samtengda vegu:
Þessir þættir tengjast saman með ljóshraða: c = λν. Lengri bylgjulengdir þýða lægri tíðni og minni orku, en styttri bylgjulengdir færa hærri tíðni og meiri orku. Sviðið er ótrúlegt:
Þetta litróf sýnir hvernig sama krafturinn – ljóseindin – birtist á mismunandi hátt á mismunandi mælikvarða.
Mismunandi eðlisfræðilegir ferlar gefa tilefni til mismunandi svæða litrófsins:
Þannig koma ljóseindir frá loftnetum, atómum og kjarna, og sauma saman eðlisfræðilegan alheim.
Vegna þess að orka ljóseindar er í réttu hlutfalli við tíðni (E = hν), hafa útvarpsbylgjuljóseindir afar litla orku – billjón sinnum minni en sýnilegar eða gammaljóseindir. Fyrir vikið gefa loftnet ekki frá sér eina ljóseind í einu á þann hátt sem auðvelt er að greina. Þess í stað losa þau gríðarlegt magn ljóseinda samtímis.
Eitt útsendingarloftnet getur gefið frá sér á bilinu 10²⁰ til 10²⁵ útvarpsljóseindir á sekúndu. Fyrir hvaða móttakara – eða fyrir innsæi okkar – lítur þetta út eins og slétt, samfelld bylgja. Kvantunin er enn til staðar, en hún er falin undir mikilli gnægð.
Aftur á móti bera hærri orku ljóseindir eins og útfjólubláar, röntgen- og gammageislar næga orku hver fyrir sig til að greinast ein og ein. Agnakennd eðli þeirra er augljóst, sem er ástæða þess að skýring Einsteins á ljósrafhrifum einbeitti sér að útfjólubláu ljósi, en ekki útvarpi.
Þessi munur á skynjun er ein ástæða þess að umræðan um bylgju-agnakennd varði svo lengi.
Skilningur okkar á ljóseindum hefur þróast í gegnum aldir af umræðum og uppgötvunum.
Feynman uppgötvaði ekki ljóseindir, en hann gaf okkur fullkomnasta og nákvæmasta skilninginn á þeim, sameinandi aldir af andstæðum kenningum í einn samhangandi ramma.
Fyrir utan tíðni bera ljóseindir aðra eiginleika: skautun.
Þar sem rafsegulsvið ljóseindar verður alltaf að sveiflast hornrétt á ferðastefnu sína, getur það stillt sig í hvaða horn sem er innan þessa þverplans. Ímyndaðu þér ljóseind sem hreyfist fram á við: svið hennar getur sveiflast lóðrétt, lárétt, eða hvar sem er þar á milli. Þetta er skautun.
Eitt af þekktustu afleiðingum skautunar er gljá. Þegar ljós endurkastast af flötu, láréttu yfirborði eins og vatni, gleri eða blautu malbiki, eru endurkastaðar ljóseindir ekki handahófskennt stilltar. Eðlisfræði endurkastsins styður lárétt skautað ljós, vegna þess að rafeindir á yfirborðinu endurgeisla rafsegulsviðsþáttinn sem liggur meðfram planinu á skilvirkari hátt.
Þetta er ástæða þess að skautuð sólgleraugu virka svo vel: þau innihalda lóðréttan skautara sem hindrar lárétt skautaðar ljóseindir á meðan þær láta lóðréttar fara í gegn. Þannig minnkar gljáinn frá vegum, vötnum og framrúðum verulega.
Á fyrstu dögum bifreiða könnuðu verkfræðingar jafnvel stærri hugmynd: hvað ef skautun gæti verið innbyggð í bílana sjálfa? Tillagan var að gera öll framljós lóðrétt skautuð, á meðan öll framrúður væru útbúin láréttum skauturum. Niðurstaðan væri að framljós frá mótöku bílum yrðu sjálfkrafa síað út, verndandi ökumenn gegn gljá. Hugmyndin var snjöll og glæsileg, en of kostnaðarsöm fyrir fjöldaframleiðslu á þeim tíma. Hugmyndin var yfirgefin – og lét sólgleraugu vera hagnýtari lausn á sama vandamáli.
Skautun getur líka verið framandi. Ef rafsegulsvið ljóseindar hefur bæði lóðrétta og lárétta þætti, og þessir þættir sveiflast úr fasa um fjórðungslotu, er niðurstaðan hringlaga skautun. Sviðið sveiflast ekki lengur fram og til baka á einni línu, heldur teiknar spíral, snýst um ferðásinn – stöðugur hliðardans frekar en einföld sveifla.
Líkingin við dipólaloftnet heldur enn: rétt eins og dipólaloftnet hefur blindbletti meðfram ásnum sínum, benda ljóseindir aldrei rafsegulsviði sínu meðfram leið sinni. Þær haldast þverar, alltaf sveipandi í kringum hreyfingarstefnu sína.
Á skammtafræðilegu stigi eru ljóseindir gefnar frá í skyndilegum stökkum.
Örvuð ástand geta varað í nanósekúndur eða klukkustundir, eftir kerfinu, en þegar útgeislun á sér stað, er hún augnabliks – sannkallað skammtahopp, án hálfvegs ástands og engin hálf ljóseind.
Þetta er alhliða aðferðin sem ljóseindir fæðast með.
Eitt af stærstu afrekum mannkynsins í nýtingu ljóseinda er leisinn.
Leisi byrjar með geymi af atómum sem haldist í örvuðu ástandi. Þessi fjöldiöfugun er sköpuð með því að dæla orku inn í miðilinn – með rafafhleðslu, öðrum leisi, eða efnafræðilegri viðbragði.
Örvuðu atómin eru föst milli tveggja spegla: annar alveg endurskinandi, hinn að hluta gegnsær. Fjarlægðin milli speglanna er stillt til að passa við bylgjulengd ljóseindarinnar. Aðeins ljóseindir í samhljómi lifa af endurteknar endurkast; hinar hætta út.
Í fyrstu eru útgeislanir handahófskenndar. Síðan er ein ljóseind gefin frá spontant meðfram ás holrúmsins. Þessi ljóseind verður leiðsögumaðurinn, eins og leiðandi neisti eldingar. Rafsegulsvið hennar skilgreinir stefnu og fasa fyrir allar síðari örvaðar útgeislanir. Nágranna atóm losa ljóseindir sem eru nákvæmar afrit – sama tíðni, sami fasi, sama skautun.
Þegar leiðsögumaðurinn fjölgar sér, skoppa ljóseindir fram og til baka, styrkja hvor aðra. Þegar styrkurinn verður nógu hár, sleppur straumur út í gegnum hálfgegnsæja spegilinn.
Niðurstaðan er leysiljós:
Ólíkt blandaða, handahófskennda ljósi perunnar, er leisi agaður her ljóseinda sem marséra í takt.
Ljóseindir eru ekki bara forvitnilegar í eðlisfræði – þær eru grundvöllur alheimsins.
Hvert andardráttur af súrefni, hver máltíð, hvert símtal, hver tölvupóstur byggir á ljóseindum.
Ljóseindir eru kraftar rafsegulsviðsins, sem spanna litróf sem knýr stjörnur, viðheldur lífi og gerir tækni mögulega. Þær rugluðu kynslóðir vísindamanna vegna þess að þær stóðust flokkun sem bylgjur eða agnir.
Saga ljóseinda hófst með ögnum Newtons og bylgjum Huygens, óx með jöfnum Maxwells, var skerpt með ljósrafhrifum Einsteins, og fann loks skýrasta tjáningu sína í úrklukkulíking Richards Feynmans og stærðfræði QED.
Frá kafbátamerki til gammageislasprenginga, frá loftnetum til atóma og kjarna, frá sólgleraugum til leisa, ljóseindir eru til staðar. Og í gegnum innsæi Feynmans sjáum við þær loks skýrt – ekki bara sem bylgjur eða agnir, heldur sem alhliða kraftar ljóssins.