Dia ada di sekitar kita dan memungkinkan kita melihat dunia. Tapi tanyakan salah satu dari kami, dan kebanyakan tidak akan bisa menjelaskan apa sebenarnya cahaya ini. Cahaya membantu kita memahami dunia tempat kita tinggal. Bahasa kita mencerminkan hal ini: dalam kegelapan kita bergerak dengan sentuhan, kita mulai melihat cahaya bersamaan dengan fajar menyingsing. Namun kita masih jauh dari pemahaman penuh tentang cahaya. Jika Anda mendekatkan seberkas cahaya, apa untungnya? Ya, cahaya bergerak sangat cepat, tetapi tidak bisakah digunakan untuk bepergian? Dan lain sebagainya.
Tentu saja, seharusnya tidak demikian. Cahaya telah membingungkan para pemikir terbaik selama berabad-abad, tetapi penemuan penting selama 150 tahun terakhir secara bertahap mengangkat selubung misteri atas misteri ini. Sekarang kita kurang lebih mengerti apa itu.
Fisikawan di zaman kita tidak hanya memahami sifat cahaya, tetapi juga mencoba mengendalikannya dengan ketelitian yang belum pernah terjadi sebelumnya - yang berarti bahwa cahaya dapat segera dibuat untuk bekerja dengan cara yang paling menakjubkan. Untuk alasan ini, Perserikatan Bangsa-Bangsa telah mencanangkan 2015 Tahun Cahaya Internasional.
Cahaya dapat dijelaskan dengan berbagai cara. Tetapi ada baiknya memulai dengan ini: cahaya adalah bentuk radiasi (radiasi). Dan perbandingan ini masuk akal. Kita tahu bahwa sinar matahari yang berlebihan bisa menyebabkan kanker kulit. Kami juga tahu bahwa paparan radiasi dapat membuat Anda berisiko terkena beberapa jenis kanker; mudah untuk menggambar kesejajaran.
Tetapi tidak semua bentuk radiasi diciptakan sama. Pada akhir abad ke-19, para ilmuwan berhasil menentukan esensi yang tepat dari radiasi cahaya. Dan yang paling aneh adalah bahwa penemuan ini tidak berasal dari studi tentang cahaya, tetapi berasal dari pengerjaan puluhan tahun tentang sifat listrik dan magnet.
Listrik dan magnet tampaknya merupakan hal yang sangat berbeda. Tetapi para ilmuwan seperti Hans Christian Oersted dan Michael Faraday telah menemukan bahwa mereka saling terkait erat. Oersted menemukan bahwa arus listrik yang melewati kawat membelokkan jarum kompas magnet. Sementara itu, Faraday menemukan bahwa menggerakkan magnet di dekat kawat dapat menghasilkan arus listrik pada kawat tersebut.
Para ahli matematika pada masa itu menggunakan pengamatan ini untuk membuat teori yang menjelaskan fenomena baru yang aneh ini, yang mereka sebut "elektromagnetisme". Tapi hanya James Clerk Maxwell yang bisa menggambarkan gambaran lengkapnya.
Kontribusi Maxwell pada sains hampir tidak bisa dilebih-lebihkan. Albert Einstein, yang terinspirasi oleh Maxwell, berkata bahwa dia mengubah dunia selamanya. Antara lain, perhitungannya membantu kami memahami apa itu cahaya.
Video promosi:
Maxwell menunjukkan bahwa medan listrik dan magnet bergerak dalam gelombang, dan gelombang ini bergerak dengan kecepatan cahaya. Ini memungkinkan Maxwell untuk memprediksi bahwa cahaya itu sendiri dibawa oleh gelombang elektromagnetik - yang berarti bahwa cahaya adalah salah satu bentuk radiasi elektromagnetik.
Pada akhir 1880-an, beberapa tahun setelah kematian Maxwell, fisikawan Jerman Heinrich Hertz adalah orang pertama yang secara resmi menunjukkan bahwa konsep teoretis Maxwell tentang gelombang elektromagnetik benar.
“Saya yakin jika Maxwell dan Hertz hidup di era Hadiah Nobel, mereka pasti akan mendapatkannya,” kata Graham Hall dari Universitas Aberdeen di Inggris - tempat Maxwell bekerja pada akhir 1850-an.
Peringkat Maxwell dalam sejarah ilmu cahaya karena alasan yang berbeda dan lebih praktis. Pada tahun 1861, ia meluncurkan fotografi warna stabil pertama yang menggunakan sistem filter tiga warna, yang meletakkan dasar bagi banyak bentuk fotografi warna saat ini.
Ungkapan bahwa cahaya adalah bentuk radiasi elektromagnetik tidak banyak bicara. Tapi itu membantu untuk menggambarkan apa yang kita semua pahami: cahaya adalah spektrum warna. Pengamatan ini kembali ke karya Isaac Newton. Kita melihat spektrum warna dengan segala kemegahannya ketika pelangi muncul di langit - dan warna-warna ini secara langsung berkaitan dengan konsep gelombang elektromagnetik Maxwell.
Lampu merah di salah satu ujung pelangi adalah radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang 620 hingga 750 nanometer; warna violet di ujung lainnya adalah radiasi dengan panjang gelombang 380 hingga 450 nm. Tapi ada lebih banyak radiasi elektromagnetik daripada warna yang terlihat. Cahaya dengan panjang gelombang lebih panjang dari merah inilah yang kita sebut dengan infra merah. Cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek dari ungu disebut ultraviolet. Banyak hewan dapat melihat dalam sinar ultraviolet, dan beberapa orang juga dapat melihat, kata Eleftherios Gulilmakis dari Institut Max Planck untuk Optik Kuantum di Garching, Jerman. Dalam beberapa kasus, orang bahkan melihat inframerah. Mungkin itulah sebabnya kami tidak terkejut bahwa kami menyebut bentuk sinar ultraviolet dan inframerah.
Anehnya, jika panjang gelombang menjadi lebih pendek atau lebih panjang, kita berhenti menyebutnya "cahaya". Di luar ultraviolet, gelombang elektromagnetik bisa lebih pendek dari 100 nm. Ini adalah bidang sinar-X dan sinar gamma. Pernahkah Anda mendengar sinar-X disebut bentuk cahaya?
"Seorang ilmuwan tidak akan mengatakan 'Saya bersinar melalui sebuah objek dengan sinar X-ray.' Dia akan berkata "Saya menggunakan sinar-X," kata Gulilmakis.
Sementara itu, di luar panjang gelombang infra merah dan elektromagnetik, gelombang membentang hingga 1 cm bahkan ribuan kilometer. Gelombang elektromagnetik semacam itu disebut gelombang mikro atau gelombang radio. Mungkin tampak aneh bagi beberapa orang untuk menganggap gelombang radio sebagai cahaya.
“Tidak banyak perbedaan fisik antara gelombang radio dan cahaya tampak dalam hal fisika,” kata Gulilmakis. "Anda akan mendeskripsikannya dengan persamaan dan matematika yang sama." Hanya persepsi sehari-hari kita yang membedakannya.
Jadi, kita mendapatkan definisi cahaya yang berbeda. Ini adalah rentang radiasi elektromagnetik yang sangat sempit yang dapat dilihat mata kita. Dengan kata lain, cahaya adalah label subjektif yang hanya kita gunakan karena keterbatasan indra kita.
Jika Anda ingin bukti yang lebih rinci tentang seberapa subjektif persepsi kita tentang warna, pikirkan tentang pelangi. Kebanyakan orang tahu bahwa spektrum cahaya mengandung tujuh warna primer: merah, oranye, kuning, hijau, cyan, biru, dan ungu. Kami bahkan memiliki peribahasa dan pepatah yang berguna tentang pemburu yang ingin tahu di mana burung pegar. Lihatlah pelangi yang bagus dan coba lihat ketujuh. Bahkan Newton tidak berhasil. Ilmuwan menduga bahwa ilmuwan membagi pelangi menjadi tujuh warna, karena angka "tujuh" sangat penting bagi dunia kuno: tujuh nada, tujuh hari dalam seminggu, dll.
Pekerjaan Maxwell tentang elektromagnetisme membawa kami selangkah lebih maju dan menunjukkan bahwa cahaya tampak adalah bagian dari spektrum radiasi yang luas. Sifat sejati cahaya juga menjadi jelas. Selama berabad-abad, para ilmuwan telah mencoba untuk memahami apa bentuk cahaya yang sebenarnya mengambil skala fundamental saat bergerak dari sumber cahaya ke mata kita.
Beberapa percaya bahwa cahaya bergerak dalam bentuk gelombang atau riak, melalui udara atau "eter" yang misterius. Yang lain mengira model gelombang ini cacat dan menganggap cahaya sebagai aliran partikel kecil. Newton condong ke opini kedua, terutama setelah serangkaian eksperimen yang dia lakukan dengan cahaya dan cermin.
Dia menyadari bahwa sinar cahaya mematuhi aturan geometris yang ketat. Sinar cahaya yang dipantulkan di cermin berperilaku seperti bola yang dilemparkan langsung ke cermin. Gelombang tidak akan selalu mengikuti garis lurus yang dapat diprediksi ini, Newton menyarankan, jadi cahaya harus dibawa oleh suatu bentuk partikel kecil tak bermassa.
Masalahnya adalah ada bukti yang sama kuatnya bahwa cahaya adalah gelombang. Salah satu demonstrasi paling jelas tentang ini terjadi pada 1801. Eksperimen celah ganda Thomas Young, pada prinsipnya, dapat dilakukan secara mandiri di rumah.
Ambil selembar karton tebal dan potong dua potongan vertikal tipis dengan hati-hati. Kemudian ambil sumber cahaya "koheren" yang hanya akan memancarkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu: laser itu bagus. Kemudian arahkan cahaya ke dua celah sehingga saat melewatinya, cahaya jatuh ke permukaan lainnya.
Anda akan melihat dua garis vertikal cerah pada permukaan kedua tempat cahaya melewati celah. Namun saat Jung melakukan percobaan tersebut, ia melihat urutan garis terang dan gelap seperti barcode.
Ketika cahaya melewati celah tipis, ia berperilaku seperti gelombang air yang melewati lubang sempit: mereka menyebar dan menyebar dalam bentuk riak setengah bola.
Ketika cahaya ini melewati dua celah, setiap gelombang meredam gelombang lainnya, membentuk bercak gelap. Saat riak bertemu, itu melengkapi untuk membentuk garis vertikal yang cerah. Eksperimen Young benar-benar mengkonfirmasi model gelombang, jadi Maxwell memasukkan ide itu ke dalam bentuk matematika yang solid. Cahaya adalah gelombang.
Tapi kemudian ada revolusi kuantum
Pada paruh kedua abad kesembilan belas, fisikawan mencoba mencari tahu bagaimana dan mengapa beberapa bahan menyerap dan memancarkan radiasi elektromagnetik lebih baik daripada yang lain. Perlu dicatat bahwa industri lampu listrik baru saja berkembang, jadi bahan yang dapat memancarkan cahaya adalah hal yang serius.
Menjelang akhir abad kesembilan belas, para ilmuwan menemukan bahwa jumlah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda berubah dengan suhunya, dan mengukur perubahan ini. Tetapi tidak ada yang tahu mengapa ini terjadi. Pada tahun 1900, Max Planck memecahkan masalah ini. Ia menemukan bahwa kalkulasi dapat menjelaskan perubahan ini, tetapi hanya jika kita mengasumsikan bahwa radiasi elektromagnetik ditransmisikan dalam porsi kecil yang terpisah. Planck menyebutnya "quanta", bentuk jamak dari bahasa Latin "quantum". Beberapa tahun kemudian, Einstein menggunakan idenya sebagai dasar dan menjelaskan eksperimen mengejutkan lainnya.
Fisikawan telah menemukan bahwa sepotong logam menjadi bermuatan positif ketika diiradiasi dengan sinar tampak atau ultraviolet. Efek ini disebut fotolistrik.
Atom-atom dalam logam kehilangan elektron bermuatan negatif. Rupanya, cahaya mengirimkan energi yang cukup ke logam untuk melepaskan beberapa elektron. Tetapi mengapa elektron melakukan ini tidak jelas. Mereka dapat membawa lebih banyak energi hanya dengan mengubah warna cahayanya. Secara khusus, elektron yang dilepaskan oleh logam yang diradiasi dengan cahaya ungu membawa lebih banyak energi daripada elektron yang dilepaskan oleh logam yang diradiasi dengan cahaya merah.
Jika cahaya hanyalah sebuah gelombang, itu akan menjadi konyol
Biasanya, Anda mengubah jumlah energi dalam gelombang, membuatnya lebih tinggi - bayangkan tsunami kekuatan destruktif yang tinggi - dan tidak lebih lama atau lebih pendek. Secara lebih luas, cara terbaik untuk meningkatkan energi yang ditransfer cahaya ke elektron adalah dengan membuat gelombang cahaya lebih tinggi: yaitu membuat cahaya lebih terang. Mengubah panjang gelombang, dan juga cahayanya, seharusnya tidak membuat banyak perbedaan.
Einstein menyadari bahwa efek fotolistrik lebih mudah dipahami jika Anda merepresentasikan cahaya dalam terminologi kuanta Planck.
Dia menyarankan bahwa cahaya dibawa oleh bongkahan kuantum kecil. Setiap kuantum membawa sebagian energi diskrit yang terkait dengan panjang gelombang: semakin pendek panjang gelombang, semakin padat energinya. Hal ini dapat menjelaskan mengapa bagian panjang gelombang cahaya ungu yang relatif pendek membawa lebih banyak energi daripada bagian cahaya merah yang relatif panjang.
Ini juga akan menjelaskan mengapa hanya meningkatkan kecerahan cahaya tidak terlalu memengaruhi hasil.
Cahaya yang lebih terang mengirimkan lebih banyak bagian cahaya ke logam, tetapi ini tidak mengubah jumlah energi yang dibawa oleh setiap bagian. Secara kasar, satu bagian cahaya ungu dapat mentransfer lebih banyak energi ke satu elektron daripada banyak bagian cahaya merah.
Einstein menyebut bagian foton energi ini dan sekarang dikenal sebagai partikel fundamental. Cahaya tampak dibawa oleh foton, dan bentuk lain dari radiasi elektromagnetik seperti sinar-X, gelombang mikro, dan gelombang radio juga dibawa. Dengan kata lain, cahaya adalah sebuah partikel.
Dengan ini, fisikawan memutuskan untuk mengakhiri perdebatan tentang terbuat dari apa cahaya itu. Kedua model itu begitu meyakinkan sehingga tidak ada gunanya meninggalkan satu model pun. Yang mengejutkan banyak non-fisikawan, para ilmuwan telah memutuskan bahwa cahaya berperilaku seperti partikel dan gelombang pada saat yang bersamaan. Dengan kata lain, cahaya adalah sebuah paradoks.
Pada saat yang sama, fisikawan tidak memiliki masalah dengan kepribadian ganda cahaya. Ini, sampai taraf tertentu, membuat cahaya berguna ganda. Hari ini, dengan mengandalkan karya para tokoh dalam arti harfiah kata - Maxwell dan Einstein - kita memeras semuanya keluar dari cahaya.
Ternyata persamaan yang digunakan untuk mendeskripsikan gelombang cahaya dan partikel cahaya bekerja sama baiknya, tetapi dalam beberapa kasus salah satu lebih mudah digunakan daripada yang lain. Oleh karena itu, fisikawan beralih di antara keduanya, seperti kita menggunakan meter untuk menggambarkan ketinggian kita sendiri, dan pergi ke kilometer, menggambarkan bersepeda.
Beberapa fisikawan mencoba menggunakan cahaya untuk membuat saluran komunikasi terenkripsi, untuk transfer uang, misalnya. Masuk akal bagi mereka untuk menganggap cahaya sebagai partikel. Ini karena sifat aneh fisika kuantum. Dua partikel fundamental, seperti sepasang foton, dapat “terjerat”. Ini berarti bahwa mereka akan memiliki sifat yang sama tidak peduli seberapa jauh jarak mereka satu sama lain, sehingga dapat digunakan untuk mentransfer informasi antara dua titik di Bumi.
Ciri lain dari keterjeratan ini adalah bahwa keadaan kuantum foton berubah saat dibaca. Artinya jika seseorang mencoba menguping saluran terenkripsi, secara teori ia akan langsung mengkhianati kehadirannya.
Lainnya, seperti Gulilmakis, menggunakan cahaya dalam elektronik. Mereka merasa lebih berguna membayangkan cahaya sebagai rangkaian gelombang yang dapat dijinakkan dan dikendalikan. Perangkat modern yang disebut light field synthesizer dapat menyatukan gelombang cahaya secara sinkron satu sama lain. Hasilnya, mereka menciptakan gelombang cahaya yang lebih kuat, berumur pendek, dan lebih terarah daripada cahaya dari lampu konvensional.
Selama 15 tahun terakhir, perangkat ini telah belajar digunakan untuk menjinakkan cahaya ke tingkat yang ekstrim. Pada tahun 2004, Gulilmakis dan rekan-rekannya belajar bagaimana menghasilkan sinar-X yang sangat pendek. Setiap denyut hanya berlangsung 250 attoseconds, atau 250 quintillion detik.
Dengan menggunakan gelombang kecil seperti flash kamera, mereka dapat menangkap gambar gelombang individu dari cahaya tampak yang berosilasi jauh lebih lambat. Mereka benar-benar memotret cahaya bergerak.
“Sejak Maxwell kami tahu bahwa cahaya adalah medan elektromagnetik yang berosilasi, tetapi tidak ada yang berpikir bahwa kami dapat mengambil gambar cahaya yang berosilasi,” kata Gulilmakis.
Mengamati gelombang cahaya individu ini adalah langkah pertama untuk memanipulasi dan memodifikasi cahaya, katanya, seperti kita mengubah gelombang radio untuk membawa sinyal radio dan televisi.
Seabad yang lalu, efek fotolistrik menunjukkan bahwa cahaya tampak mempengaruhi elektron dalam logam. Gulilmakis mengatakan seharusnya mungkin untuk mengontrol elektron ini secara tepat menggunakan gelombang cahaya tampak yang dimodifikasi untuk berinteraksi dengan logam dengan cara yang jelas. “Kita bisa memanipulasi cahaya dan menggunakannya untuk memanipulasi materi,” katanya.
Ini bisa merevolusi elektronik, mengarah pada generasi baru komputer optik yang lebih kecil dan lebih cepat dari milik kita. "Kita bisa memindahkan elektron sesuka kita, menciptakan arus listrik di dalam benda padat dengan bantuan cahaya, dan tidak seperti di elektronika biasa."
Berikut cara lain untuk mendeskripsikan cahaya: itu adalah instrumen
Namun, bukan hal baru. Kehidupan telah menggunakan cahaya sejak organisme primitif pertama mengembangkan jaringan peka cahaya. Mata orang menangkap foton cahaya tampak, kami menggunakannya untuk mempelajari dunia sekitar. Teknologi modern membawa gagasan ini lebih jauh. Pada tahun 2014, Hadiah Nobel Kimia dianugerahkan kepada para peneliti yang membuat mikroskop cahaya yang sangat kuat sehingga secara fisik dianggap mustahil. Ternyata jika kita mencoba, cahaya dapat menunjukkan kepada kita hal-hal yang kita pikir tidak akan pernah kita lihat.
