https://fremont.hostmaster.org/articles/light_energy_information_life/fi.html
Harvat käsitteet ovat kantaneet ihmiskunnan historiassa yhtä suurta symbolista painoarvoa kuin valo. Jo kauan ennen kuin pystyimme mittaamaan sen aallonpituutta tai laskemaan sen energiaa, ihmiset aistivat, että valo oli enemmän kuin fysikaalinen ilmiö – se oli vertauskuva itse elämästä.
Heprealaisessa Raamatussa luominen alkaa sanoilla: ”Tulkoon valo.” Koraanissa Jumalaa kuvataan ”taivaiden ja maan valona”. Buddhalaisuudessa valaistuminen on totuuteen heräämisen tila. Eri perinteissä valo on jumaluuden, puhtauden ja viisauden ilmentymä. Pimeys sen sijaan on tietämättömyyttä, pahaa tai kaaosta.
Kielemme säilyttävät nämä vertauskuvat. Me ”valaisemme” ongelmaa, ”näemme valon” ymmärtäessämme ja kutsumme jotakuta ”loistavaksi”, kun he inspiroivat. Tieto on valoa, joka karkottaa tietämättömyyden varjoja.
Jo kauan ennen nykyisiä uskontoja kulttuurit ympäri maailmaa juhlistivat talvipäivänseisausta – vuoden pimeintä päivää, jolloin pimeys saavuttaa huippunsa ja valo alkaa palata. Varhaisille yhteisöille, jotka olivat riippuvaisia auringosta lämmön ja sadon vuoksi, päivänseisaus oli selviytymisen ja toivon käännekohta. Tulien, juhlien ja rituaalien avulla juhlittiin valon uudestisyntymää. Tämä perinne kietoutui myöhemmin kristinuskoon jouluna, mutta syvempi symboliikka säilyy: elämän uudistuminen auringon paluun kautta. Vielä tänäkin päivänä päivänseisausjuhlat muistuttavat meitä valon keskeisestä roolista ihmiskulttuurissa.
Valo on siis aina ollut meille muutakin kuin fotoneita: se on energiaa, informaatiota ja elämää – sekä aineellisessa että henkisessä mielessä.
Eläessään vuosituhansia sen vertauskuvien kanssa ihmiskunta kääntyi lopulta tieteen puoleen kysyäkseen: mistä valo todella koostuu?
Fotoni voidaan ajatella mikroskooppisena antennina tai värähtelevänä piirinä, joka koostuu induktanssista ja kapasitanssista – mutta ilman fyysisiä osia. Se olemassa ja etenee muuntamalla sähköistä energiaa magneettiseksi energiaksi ja takaisin, itseään ylläpitävä värähtely, joka mahdollistaa valon liikkumisen avaruudessa.
Fotonit eivät kuitenkaan rajoitu siihen kapeaan värispektriin, joka on näkyvissä silmillemme. Ne kattavat valtavan alueen, radiotaajuuksista, jotka ovat pidempiä kuin pilvenpiirtäjät, gammasäteisiin, jotka ovat pienempiä kuin atomin ydin. Tämän spektrin kautta ne muovaavat universumia, ylläpitävät elämää ja voimaannuttavat ihmiskunnan sivilisaatiota.
Jokainen fotoni voidaan kuvata kolmella toisiinsa liittyvällä tavalla:
Nämä liittyvät toisiinsa valon nopeuden kautta: c = λν. Pidemmät aallonpituudet tarkoittavat matalampaa taajuutta ja pienempää energiaa, kun taas lyhyemmät aallonpituudet tuovat mukanaan korkeamman taajuuden ja suuremman energian. Alue on hämmästyttävä:
Tämä spektri osoittaa, miten sama kvantti – fotoni – ilmenee eri tavoin eri mittakaavoissa.
Eri fysikaaliset prosessit synnyttävät spektrin eri alueita:
Tällä tavoin fotonit syntyvät antenneista, atomeista ja ytimistä, yhdistäen fyysisen universumin.
Koska fotonin energia on verrannollinen taajuuteen (E = hν), radiotaajuusfotonit sisältävät äärimmäisen vähän energiaa – biljoonia kertoja vähemmän kuin näkyvät tai gammasädefotonit. Tämän vuoksi antennit eivät emittoi fotoneita yksitellen tavalla, joka olisi helposti havaittavissa. Sen sijaan ne vapauttavat valtavia määriä fotoneita samanaikaisesti.
Yksittäinen lähetysantenni voi emitoida noin 10²⁰–10²⁵ radiofotonia sekunnissa. Vastaanottimelle – tai intuitiollemme – tämä näyttää sileältä, jatkuvalta aallolta. Kvantittuminen on edelleen olemassa, mutta se piiloutuu pelkän runsauden taakse.
Sitä vastoin korkeaenergiset fotonit, kuten ultravioletti-, röntgen- ja gammasäteet, kuljettavat tarpeeksi energiaa yksitellen havaittaviksi. Niiden hiukkasmaisuus on ilmeistä, minkä vuoksi Einsteinin selitys valosähköiselle ilmiölle keskittyi ultraviolettivaloon, ei radioaaltoihin.
Tämä havaintotavan ero on yksi syy siihen, miksi aalto–hiukkasdebatista kiisteltiin niin pitkään.
Ymmärryksemme fotoneista on kehittynyt vuosisatojen väittelyiden ja löytöjen kautta.
Feynman ei keksinyt fotoneita, mutta hän antoi meille täydellisimmän ja tarkimman ymmärryksen niistä, yhdistäen vuosisatojen ristiriitaiset teoriat yhtenäiseen kehykseen.
Taajuuden lisäksi fotoneilla on toinen ominaisuus: polarisaatio.
Koska fotonin sähköisen kentän on aina värähdeltävä kohtisuorassa sen kulkusuuntaan nähden, se voi suuntautua mihin tahansa kulmaan tässä poikittaisessa tasossa. Kuvittele fotoni, joka liikkuu eteenpäin: sen kenttä voi värähdellä pystysuunnassa, vaakasuunnassa tai missä tahansa siltä väliltä. Tämä on polarisaatiota.
Yksi tutuimmista polarisaation seurauksista on häikäisy. Kun valo heijastuu tasaiselta, vaakasuoralta pinnalta, kuten vedestä, lasista tai märältä asfaltista, heijastuneet fotonit eivät ole satunnaisesti suuntautuneita. Heijastuksen fysiikka suosii vaakasuunnassa polarisoitunutta valoa, koska pinnan elektronit säteilevät sähköisen kentän komponentin, joka sijaitsee tasossa, tehokkaammin uudelleen.
Tämän vuoksi polarisoidut aurinkolasit toimivat niin hyvin: ne sisältävät pystysuoran polarisaattorin, joka estää vaakasuunnassa polarisoituneet fotonit ja päästää pystysuuntaiset läpi. Näin ollen teiden, järvien ja tuulilasien häikäisy vähenee huomattavasti.
Autoilun alkuaikoina insinöörit tutkivat jopa suurempaa ideaa: entä jos polarisaatio voitaisiin rakentaa autoihin itseensä? Ehdotus oli tehdä kaikista ajovaloista pystysuunnassa polarisoituja ja varustaa kaikki tuulilasit vaakasuuntaisilla polarisaattoreilla. Tuloksena olisi, että vastaantulevat ajovalot suodattuisivat automaattisesti pois, suojaten kuljettajia häikäisyltä. Konsepti oli nerokas ja elegantti, mutta liian kallis massatuotantoon siihen aikaan. Idea hylättiin – jättäen aurinkolasit käytännöllisemmäksi ratkaisuksi samaan ongelmaan.
Polarisaatio voi olla myös eksoottisempaa. Jos fotonin sähköisellä kentällä on sekä pysty- että vaakakomponentteja ja nämä komponentit värähtelevät neljännesjakson vaihe-eron verran, tuloksena on pyöröpolarisaatio. Kenttä ei enää värähtele edestakaisin yhdellä linjalla, vaan piirtää spiraalin, kiertäen kulkusuunnan akselin ympäri – jatkuva sivuttainen tanssi yksinkertaisen värähtelyn sijaan.
Analogia dipoliantenniin pitää edelleen: kuten dipoliantennilla on sokeita pisteitä akselinsa suunnassa, fotonit eivät koskaan osoita sähköistä kenttäänsä kulkusuuntansa mukaisesti. Ne pysyvät poikittaisina, aina kiertäen liikkeen suuntaansa.
Kvanttitasolla fotonit emittoituvat äkillisissä hypyissä.
Kiihtyneet tilat voivat kestää nanosekunteja tai tunteja järjestelmästä riippuen, mutta kun emissio tapahtuu, se on välitön – todellinen kvanttihyppy, ilman välimuotoa tai osittaista fotonia.
Tämä on universaali mekanismi, jolla fotonit syntyvät.
Yksi ihmiskunnan suurimmista voitoista fotonien valjastamisessa on laser.
Laser alkaa atomien varastosta, joita pidetään kiihtyneissä tiloissa. Tämä populaatioinversio luodaan pumppaamalla energiaa väliaineeseen – sähköpurkauksella, toisella laserilla tai kemiallisella reaktiolla.
Kiihtyneet atomit ovat loukussa kahden peilin välissä: toisen täysin heijastavan ja toisen osittain läpinäkyvän. Peilien välinen etäisyys on viritetty vastaamaan fotonin aallonpituutta. Vain resonanssissa olevat fotonit selviävät toistuvista heijastuksista; muut peruuntuvat.
Aluksi emissiot ovat satunnaisia. Sitten yksi fotoni emittoituu spontaanisti kammion akselin suuntaisesti. Tästä fotonista tulee pilotti, kuten salaman johtava kipinä. Sen sähköinen kenttä määrittelee suunnan ja vaiheen kaikille myöhemmille stimuloiduille emissioille. Naapuriatomit vapauttavat fotoneita, jotka ovat tarkkoja kopioita – sama taajuus, sama vaihe, sama polarisaatio.
Kun pilotti moninkertaistuu, fotonit pomppivat edestakaisin vahvistaen toisiaan. Kun intensiteetti kasvaa riittävästi, virta pakenee osittain läpinäkyvän peilin kautta.
Tuloksena on laser-valo:
Toisin kuin lampun sekava, satunnainen valo, laser on kurinalainen fotonien armeija, joka marssii täydellisessä synkronissa.
Fotonit eivät ole pelkkiä fysiikan kuriositeetteja – ne ovat universumin perusta.
Jokainen hengenveto hapesta, jokainen ateria, jokainen puhelu, jokainen sähköposti riippuu fotoneista.
Fotonit ovat sähkömagneettisen kentän kvantteja, jotka kattavat spektrin, joka voimaannuttaa tähtiä, ylläpitää elämää ja mahdollistaa teknologian. Ne hämäsivät sukupolvien tutkijoita, koska ne eivät sopineet aallon tai hiukkasen kategorioihin.
Fotonien tarina alkoi Newtonin hiukkasista ja Huygensin aalloista, kasvoi Maxwellin yhtälöiden myötä, terävöityi Einsteinin valosähköisen ilmiön kautta ja löysi lopulta selkeimmän ilmaisunsa Richard Feynmanin rannekelloanalogian ja QED:n matematiikan kautta.
Sukellusveneiden signaaleista gammasädepurkauksiin, antenneista atomeihin ja ytimiin, aurinkolaseista lasereihin – fotonit ovat läsnä. Ja Feynmanin oivalluksen kautta näemme ne vihdoin selkeästi – ei vain aaltoina tai hiukkasina, vaan universaaleina valon kvantteina.