Låt oss ta reda på det: vad är ljus?

Han är runt oss och låter oss se världen. Men fråga någon av oss, och de flesta kommer inte att kunna förklara vad detta ljus verkligen är. Ljus hjälper oss att förstå världen där vi lever. Vårt språk speglar detta: i mörkret rör vi oss genom beröring, vi börjar se ljuset tillsammans med gryningens början. Och ändå är vi långt ifrån en fullständig förståelse för ljus. Om du tar en ljusstråle närmare, vad kommer det att finnas i den? Ja, ljuset rör sig otroligt snabbt, men kan det inte användas för resor? Och så vidare.

Naturligtvis borde detta inte vara fallet. Ljuset har förbryllat de bästa hjärnorna i århundraden, men landmärkeupptäckter under de senaste 150 åren har gradvis lyft mysteriets slöja över detta mysterium. Nu förstår vi mer eller mindre vad det är.

Våra tids fysiker förstår inte bara ljusets natur utan försöker också kontrollera det med oöverträffad precision - vilket innebär att ljus mycket snart kan få det att fungera på det mest fantastiska sättet. Av denna anledning har Förenta nationerna utsett 2015 till det internationella ljusåret.

Ljus kan beskrivas på alla möjliga sätt. Men det är värt att börja med detta: ljus är en form av strålning (strålning). Och denna jämförelse är vettig. Vi vet att överflödigt solljus kan orsaka hudcancer. Vi vet också att strålningsexponering kan utgöra en risk för vissa former av cancer; det är inte svårt att dra paralleller.

Men inte alla former av strålning är desamma. I slutet av 1800-talet kunde forskare bestämma den exakta kärnan i ljusstrålning. Och det konstigaste är att denna upptäckt inte kom från studiet av ljus, utan kom från årtionden av arbete med naturen av elektricitet och magnetism.

Elektricitet och magnetism verkar vara helt andra saker. Men forskare som Hans Christian Oersted och Michael Faraday har funnit att de är djupt sammanflätade. Oersted upptäckte att en elektrisk ström som passerar genom en tråd avböjer nålen på en magnetisk kompass. Under tiden upptäckte Faraday att förflyttning av en magnet nära en tråd kan generera en elektrisk ström i ledningen.

Matematikerna på den tiden använde dessa observationer för att skapa en teori som beskriver detta konstiga nya fenomen, som de kallade "elektromagnetism". Men bara James Clerk Maxwell kunde beskriva hela bilden.

Maxwells bidrag till vetenskapen kan knappast överskattas. Albert Einstein, som inspirerades av Maxwell, sa att han förändrade världen för alltid. Bland annat hjälpte hans beräkningar oss att förstå vad ljus är.

Maxwell visade att elektriska och magnetiska fält färdas i vågor, och dessa vågor färdas med ljusets hastighet. Detta gjorde det möjligt för Maxwell att förutsäga att ljuset i sig bärs av elektromagnetiska vågor - vilket innebär att ljus är en form av elektromagnetisk strålning.

I slutet av 1880-talet, några år efter Maxwells död, var den tyska fysikern Heinrich Hertz den första som officiellt visade att Maxwells teoretiska koncept om den elektromagnetiska vågen var korrekt.

"Jag är säker på att om Maxwell och Hertz levde i Nobelprisets era, skulle de definitivt få ett", säger Graham Hall vid University of Aberdeen i Storbritannien - där Maxwell arbetade i slutet av 1850-talet.

Maxwell rankas i annalerna av ljusvetenskapen av en annan, mer praktisk anledning. 1861 presenterade han den första stabila färgfotograferingen med trefärgade filtersystem, som lade grunden för många former av färgfotografering idag.

Själva frasen att ljus är en form av elektromagnetisk strålning säger inte mycket. Men det hjälper till att beskriva vad vi alla förstår: ljus är ett spektrum av färger. Denna observation går tillbaka till Isaac Newtons arbete. Vi ser färgspektrumet i all sin glans när en regnbåge stiger på himlen - och dessa färger är direkt relaterade till Maxwells koncept om elektromagnetiska vågor.

Det röda ljuset i ena änden av regnbågen är elektromagnetisk strålning med en våglängd på 620 till 750 nanometer; den violetta färgen i andra änden är strålning med en våglängd på 380 till 450 nm. Men det finns mer med elektromagnetisk strålning än synliga färger. Ljus med en våglängd längre än röd är vad vi kallar infraröd. Ljus med en våglängd som är kortare än violett kallas ultraviolett ljus. Många djur kan se i ultraviolett ljus, och vissa kan också se, säger Eleftherios Gulilmakis från Max Planck Institute for Quantum Optics i Garching, Tyskland. I vissa fall ser människor till och med infraröd. Kanske är det därför vi inte är förvånade över att vi kallar ultraviolett och infrarött ljus.

Men märkligt nog, om våglängderna blir ännu kortare eller längre, slutar vi kalla dem "ljus". Utanför ultraviolett kan elektromagnetiska vågor vara kortare än 100 nm. Detta är röntgenstrålar och gammastrålar. Har du någonsin hört talas om röntgenstrålar som en form av ljus?

"En forskare kommer inte att säga" Jag lyser igenom ett objekt med röntgenljus. " Han kommer att säga "Jag använder röntgen", säger Gulilmakis.

Samtidigt sträcker sig vågor bortom infraröda och elektromagnetiska våglängder upp till 1 cm och till och med tusentals kilometer. Sådana elektromagnetiska vågor kallas mikrovågor eller radiovågor. Det kan verka konstigt för vissa att uppfatta radiovågor som ljus.

”Det är inte mycket fysisk skillnad mellan radiovågor och synligt ljus ur fysik synvinkel”, säger Gulilmakis. "Du kommer att beskriva dem med samma ekvationer och matematik." Endast vår vardagliga uppfattning skiljer dem ut.

Således får vi en annan definition av ljus. Detta är ett mycket smalt område av elektromagnetisk strålning som våra ögon kan se. Med andra ord är ljus en subjektiv etikett som vi bara använder på grund av våra sinnes begränsningar.

Om du behöver mer detaljerade bevis på hur subjektiv vår uppfattning av färg är, tänk på regnbågen. De flesta vet att ljusspektret innehåller sju primärfärger: röd, orange, gul, grön, cyan, blå och violett. Vi har till och med praktiska ordspråk och talesätt om jägare som vill veta var en fasan är. Titta på en fin regnbåge och försök se alla sju. Till och med Newton lyckades inte. Forskare misstänker att forskaren delade regnbågen i sju färger, eftersom siffran "sju" var mycket viktig för den antika världen: sju anteckningar, sju veckodagar etc.

Maxwells arbete med elektromagnetism tog oss längre och visade att synligt ljus var en del av ett brett spektrum av strålning. Ljusets sanna natur blev också tydlig. I århundraden har forskare försökt förstå vilken form ljus faktiskt tar i en grundläggande skala när det går från ljuskällan till våra ögon.

Vissa trodde att ljus rör sig i form av vågor eller krusningar, genom luften eller den mystiska "etern". Andra tyckte att denna vågmodell var bristfällig och betraktade ljus som en ström av små partiklar. Newton lutade sig mot den senare åsikten, särskilt efter en serie experiment som han genomförde med ljus och speglar.

Han insåg att ljusstrålarna följer strikta geometriska regler. En ljusstråle som reflekteras i en spegel beter sig som en boll som kastas direkt i en spegel. Vågorna kommer inte nödvändigtvis att följa dessa förutsägbara raka linjer, föreslog Newton, så ljus måste bäras av någon form av små, masslösa partiklar.

Problemet är att det har funnits lika övertygande bevis för att ljus är en våg. En av de tydligaste demonstrationerna av detta var 1801. Thomas Young dubbel slits experiment kan i princip göras självständigt hemma.

Ta ett ark tjock kartong och gör försiktigt två tunna vertikala snitt i den. Ta sedan en "sammanhängande" ljuskälla som bara avger ljus med en viss våglängd: en laser kommer att klara sig bra. Rikta sedan ljuset mot två slitsar så att det faller på den andra ytan när det passerar igenom.

Du kan förvänta dig att se två ljusa vertikala linjer på den andra ytan där ljuset passerar genom slitsarna. Men när Jung gjorde experimentet såg han en sekvens av ljusa och mörka linjer som en streckkod.

När ljus passerar genom tunna slitsar beter sig det som vattenvågor som passerar genom en smal öppning: de sprids och sprids i form av halvklotiska krusningar.

När detta ljus passerar genom två slitsar slocknar varje våg den andra och bildar mörka fläckar. När krusningarna konvergerar kompletterar de och bildar ljusa vertikala linjer. Youngs experiment bokstavligen bekräftade vågmodellen, så Maxwell satte idén i solid matematisk form. Ljus är en våg.

Men då skedde en kvantrevolution.

Under andra hälften av 1800-talet försökte fysiker ta reda på hur och varför vissa material absorberar och avger elektromagnetisk strålning bättre än andra. Det är värt att notera att den elektriska ljusindustrin just utvecklades då, så material som kan avge ljus var en allvarlig sak.

I slutet av 1800-talet hade forskare upptäckt att mängden elektromagnetisk strålning som emitteras av ett objekt förändrades med dess temperatur, och de mätte dessa förändringar. Men ingen visste varför detta hände. År 1900 löste Max Planck detta problem. Han fann att beräkningar kan förklara dessa förändringar, men bara om vi antar att elektromagnetisk strålning överförs i små diskreta delar. Planck kallade dem "quanta", flertalet av den latinska "quantum". Några år senare tog Einstein sina idéer som grund och förklarade ytterligare ett överraskande experiment.

Fysiker har upptäckt att en metallbit blir positivt laddad när den bestrålas med synligt eller ultraviolett ljus. Denna effekt har kallats solceller.

Atomerna i metallen förlorade negativt laddade elektroner. Tydligen levererade ljuset tillräckligt med energi till metallen för att frigöra några av elektronerna. Men varför elektronerna gjorde det var inte klart. De kunde bära mer energi helt enkelt genom att ändra ljusets färg. I synnerhet transporterade elektroner som släpptes av en metall som bestrålades med violett ljus mer energi än elektroner som släpptes av en metall som bestrålades med rött ljus.

Om ljus bara var en våg skulle det vara löjligt.

Vanligtvis ändrar du mängden energi i vågen, vilket gör den högre - föreställ dig en hög tsunami med destruktiv kraft - och inte längre eller kortare. Mer allmänt, det bästa sättet att öka energin som ljus överför till elektroner är att göra ljusvågen högre: det vill säga att göra ljuset ljusare. Att ändra våglängden och därmed ljuset borde inte ha gjort någon större skillnad.

Einstein insåg att den fotoelektriska effekten är lättare att förstå om man tänker på ljus i termer av Planck quanta.

Han föreslog att ljus bärs av små kvantbitar. Varje kvant bär en del av diskret energi associerad med en våglängd: ju kortare våglängden är, desto tätare är energin. Detta kan förklara varför de relativt korta våglängdsdelarna av violett ljus bär mer energi än de relativt långa delarna av rött ljus.

Det skulle också förklara varför det bara inte påverkar resultatet att bara öka ljusstyrkan.

Ljusare ljus ger fler delar av ljus till metallen, men detta förändrar inte mängden energi som bärs av varje del. Grovt sett kan en del av violett ljus överföra mer energi till en elektron än många delar av rött ljus.

Einstein kallade dessa delar av energifotoner och erkänns nu som grundläggande partiklar. Synligt ljus bärs av fotoner och andra former av elektromagnetisk strålning såsom röntgenstrålar, mikrovågsugn och radiovågor bärs också. Med andra ord är ljus en partikel.

Med detta bestämde fysiker att avsluta debatten om vilket ljus som görs av. Båda modellerna var så övertygande att det inte var någon mening att överge en. Till överraskning för många icke-fysiker bestämde forskare att ljuset beter sig som en partikel och en våg samtidigt. Med andra ord är ljus en paradox.

Samtidigt hade fysiker inte problem med ljusets splittrade personlighet. Detta gjorde till viss del ljus dubbelt användbart. I dag förlitar vi oss på armaturernas arbete i ordets betydelse - Maxwell och Einstein - vi pressar allt ur ljuset.

Det visar sig att ekvationerna som används för att beskriva ljusvåg och ljuspartikel fungerar lika bra, men i vissa fall är den ena lättare att använda än den andra. Så fysiker växlar mellan dem, ungefär som om vi använder mätare för att beskriva vår egen höjd och flyttar till kilometer för att beskriva en cykeltur.

Vissa fysiker försöker använda ljus för att skapa krypterade kommunikationskanaler, till exempel för penningöverföringar. Det är vettigt för dem att tänka på ljus som partiklar. Detta beror på kvantfysikens konstiga natur. Två grundläggande partiklar, som ett par fotoner, kan fastna ihop. Detta innebär att de kommer att ha gemensamma egenskaper oavsett hur långt från varandra, så att de kan användas för att överföra information mellan två punkter på jorden.

Ett annat inslag i denna intrång är att kvanttillståndet hos fotonerna ändras när de läses av. Det betyder att om någon i teorin försöker tjuvlyssna på en krypterad kanal kommer han omedelbart att förråda sin närvaro.

Andra, som Gulilmakis, använder ljus i elektronik. De tycker att det är mer användbart att representera ljus som en serie vågor som kan tämjas och kontrolleras. Moderna enheter som kallas "ljusfältsynteser" kan kombinera ljusvågor i perfekt synkronisering med varandra. Som ett resultat skapar de ljuspulser som är mer intensiva, kortlivade och mer riktade än ljus från en konventionell lampa.

Under de senaste 15 åren har dessa enheter lärt sig att användas för att tämja ljus i extrem grad. År 2004 lärde Gulilmakis och hans kollegor hur man producerar otroligt korta pulser av röntgenstrålar. Varje puls varade bara 250 attosekunder, eller 250 quintillion sekunder.

Med hjälp av dessa små pulser som en kamerablixt kunde de ta bilder av enskilda vågor av synligt ljus som svänger mycket långsammare. De tog bokstavligen bilder av det rörliga ljuset.

"Ända sedan Maxwells tid visste vi att ljus är ett oscillerande elektromagnetiskt fält, men ingen trodde ens att vi kunde ta bilder av oscillerande ljus", säger Gulilmakis.

Att observera dessa enskilda ljusvågor var det första steget mot att manipulera och modifiera ljus, säger han, precis som vi ändrar radiovågor för att bära radio- och tv-signaler.

För ett sekel sedan visade den fotoelektriska effekten att synligt ljus påverkar elektronerna i en metall. Gulilmakis säger att det borde vara möjligt att exakt kontrollera dessa elektroner med synliga ljusvågor som förändrats för att interagera med metallen på ett väldefinierat sätt. "Vi kan manipulera ljus och använda det för att manipulera materia", säger han.

Detta kan revolutionera elektroniken, leda till en ny generation optiska datorer som blir mindre och snabbare än vår. "Vi kan flytta elektroner som vi vill, skapa elektriska strömmar inuti fasta ämnen med hjälp av ljus, och inte som i konventionell elektronik."

Här är ett annat sätt att beskriva ljus: det är ett instrument.

Men inget nytt. Livet har använt ljus ända sedan de första primitiva organismerna utvecklade ljuskänsliga vävnader. Människors ögon fångar fotonerna av synligt ljus, vi använder dem för att studera världen runt. Modern teknik tar denna idé ännu längre. 2014 delades Nobelpriset i kemi ut till forskare som byggde ett ljusmikroskop så kraftfullt att det ansågs fysiskt omöjligt. Det visade sig att om vi försöker kan ljuset visa oss saker som vi trodde att vi aldrig skulle se.