Valon historia – näkösäteistä valokvantteihin
Valon historia – näkösäteistä valokvantteihin Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jo muinaiset kreikkalaiset… Vanhimmat teoriat valosta ja näkemisestä esitettiin antiikin Kreikassa. Filosofi Empedoklesin mukaan näkeminen perustuu ihmisen silmästä lähteviin näkösäteisiin, jotka osuvat esineeseen ja tekevät sen näkyväksi. Empedokles eli 400-luvulla eaa ja oli kuuluisa neljän alkuaineen - maa, vesi, ilma ja tuli – teoriastaan. Näkösäteet olivat tulta. Aurinkoa tarvittiin tässä teoriassa tekemään näkösäteiden toiminta mahdolliseksi. Se selittää, miksi silmästä lentävät tulisäteet eivät toimi yöllä. Myöhemmät kreikkalaiset filosofit jalostivat Empedoklesin teoriaa kahdenlaisten säteiden malliksi, jonka mukaan näkeminen perustuu silmästä ja esineestä tulevien säteiden yhteispeliin. Islamilaisen tieteen suurmies Modernin optiikan isäksi sanotaan Basrassa, nykyisessä Irakissa noin tuhat vuotta sitten syntynyttä Alhazenia (Abū ‘Alī al-Haṣan ibn al-Haṣan ibn alHaitham). Alhazen oli ensimmäisiä kokeellisia tutkimuksia tehneitä luonnonfilosofeja, jolla oli suuri vaikutus renesanssiajan tiedemiehiin, tieteellisen vallankumouksen tekijöihin. Hän tutki mm. linssien ja peilien toimintaa ja valon taittumista sekä näkemisen fysiologiaa ja kirjoitti niistä 7osaisen kirjan. Hän keksi myös neulansilmäkameran. Alhazenin mukaan näkeminen johtuu esineeseen osuneen valon, esimerkiksi auringonvalon, heijastumisesta silmään. Newton ja valohiukkaset Isaac Newton tunnetaan liikettä, voimaa ja painovoimaa koskevista laeistaan, mutta myös hänen valoa koskevat tutkimuksensa olivat vallankumouksellisia. Hän osti 1664 markkinoilta prismoja, joiden avulla hän keksi paljon uutta valon luonteesta. Hän osoitti, että valo koostuu lukemattomista erivärisistä osista, jotka prisma hajottaa spektriksi. Hän myös selitti, mistä esineiden värit johtuvat. Newton ajatteli, että valo on pienen pienten valohiukkasten eli korpuskeleiden virtaa. Hiukkasia vai aaltoja? Newtonin valohiukkasteorian kilpailija oli aaltoteoria. Sen mukaan valo on avaruudessa olevan näkymättömän aineen maailmaneetterin aaltoilua, samanlainen ilmiö kuin veden aaltoilu tai ääniaallot. Taitelu näiden mallien välillä oli tuimaa. Se ratkesi lontoolaisen lääkärin Thomas Youngin vuonna 1800 tekemään kaksoisrakokokeeseen, joka osoitti valon käyttäytyvän aaltojen tapaan. Myös August Fresnelin oikeaksi osoittautunutta ilmiötä, että pyöreän esineen varjon keskellä on valoisa piste, oli mahdotonta selittää valohiukkasten avulla. Valo on sähkömagneettinen ilmiö Skotlantilainen James Clerk Maxwell keksi 1860-luvulla teorian, joka selitti kaikki tunnetut sähköön ja magneettisuuteen liittyvät ilmiöt. Kaupanpäälle hän ennusti kokonaan uuden ilmiön, sähkömagneettisen säteilyn. Pian osoitettiin, että valo on yksi muoto tätä säteilyä, sähkökentän ja magneettikentän aaltoilua. Valo on siis samanlaista säteilyä kuin esimerkiksi radioaallot, röntgensäteily tai mikroaallot, mutta sillä on erilainen aallonpituus kuin muilla säteilyillä. Maxwellin teoria myös osoitti, että valon kulkee aina samalla nopeudella. Einsteinin valokvantit Albert Einstein esitti vuonna 1905 ajatuksen, että sähkömagneettinen säteily koostuu pienistä hiukkasmaisista osista, valokvanteista. Se oli Nobelin palkinnon arvoinen ajatus. Valo on siis kvanttien eli fotonien virtaa. Emme näe jokaista fotonia erikseen, vaan aistimme valon jatkuvana ilmiönä. Sata vuotta sitten Einstein keksi myös uuden teorian gravitaatiolle eli yleisen suhteellisuusteorian. Se ennusti valolle uusia piirteitä. Valon luonnollisin tie ei olekaan suora vaan avaruudessa oleva aine saa sen kaartelemaan, ja valon värikin voi muuttua painovoiman vaikutuksesta.
© Copyright 2024