Science |
|
Znanost |
How light behaves?
|
|
Kako se svjetlost ponaša?
|
The power to move molecules
|
|
Moć pokretanja molekula
|
Light waves in perfect synchrony
|
|
Savršeno sinkroni svjetlosni valovi
|
Slowing the light down
|
|
Usporavanje svjetlosti
|
Light pulse can have a precursor
|
|
Puls svjetlosti može imati prethodnicu
|
The invisibility effect
|
|
Efekt nevidljivosti
|
Creating photons
|
|
Stvaranje fotona
|
Quantum superposition
|
|
Kvantna superpozicija
|
|
|
|
|
How light behaves?
By the early 20th century, light had been successfully described as an oscillating wave that carries the electromagnetic force.
That seems obvious when we see, for example, that light bends and spreads out, or diffracts, on meeting an obstacle, just as a water wave does.
In 1921, however, Albert Einstein won a Nobel Prize for explaining the emission of electrons from certain metals when they were illuminated (the photoelectric effect) by assuming light was made of particles.
These tiny, massless packets of energy were later called photons.
So which is it, wave or particle?
The answer seems to be - both.
Light sometimes behaves as one, sometimes the other depending on the situation...
By the early 20th century, light had been successfully described as an oscillating wave that carries the electromagnetic force.
That seems obvious when we see, for example, that light bends and spreads out, or diffracts, on meeting an obstacle, just as a water wave does.
In 1921, however, Albert Einstein won a Nobel Prize for explaining the emission of electrons from certain metals when they were illuminated (the photoelectric effect) by assuming light was made of particles.
These tiny, massless packets of energy were later called photons.
So which is it, wave or particle?
The answer seems to be - both.
Light sometimes behaves as one, sometimes the other depending on the situation.
Quantum theory also dictates that there are fundamental limits to what we can know about the world, an idea embodied by Heisenberg's uncertainty principle.
One consequence is that a light wave is not described by a smoothly oscillating sine curve.
The photon side brings irregularities both to the wave's amplitude and its phase.
In the 1960s, physicist Roy Glauber summed up these elements into a Nobel-prize winning quantum theory of light.
He showed how you could "squeeze down" the uncertainty in either amplitude or phase by allowing that of the other to increase.
Such signals, made from less unruly, squeezed-down photons can be like radio signals with less static, making optical communication networks less error-prone.
That advance is now being used to upgrade the sensitivity of huge instruments called interferometers, used to look for gravitational waves predicted by Einstein's theory of general relativity.
|
|
Kako se svjetlost ponaša?
Do početka 20. stoljeća svjetlost je uspješno opisana kao oscilirajući val koji nosi elektromagnetsku silu.
To se čini očiglednim kada vidimo, na primjer, da se svjetlost savija i širi, odnosno raspršuje prilikom nailaska na prepreku, baš poput vala vode.
Međutim, Albert Einstein je 1921. godine dobio Nobelovu nagradu za svoje objašnjenje emisije elektrona iz određenih metala kada su oni osvijetljeni (fotoelektrični efekt) pretpostavljajući da se svjetlost sastoji od čestica.
Ti mali paketi energije bez mase kasnije su dobili naziv fotoni.
Pa što je onda svjetlost, val ili čestica?
Čini se da je odgovor - oboje.
Svjetlost se ponekad ponaša kao jedno, a ponekad drugo, ovisno o situaciji...
Do početka 20. stoljeća svjetlost je uspješno opisana kao oscilirajući val koji nosi elektromagnetsku silu.
To se čini očiglednim kada vidimo, na primjer, da se svjetlost savija i širi, odnosno raspršuje prilikom nailaska na prepreku, baš poput vala vode.
Međutim, Albert Einstein je 1921. godine dobio Nobelovu nagradu za svoje objašnjenje emisije elektrona iz određenih metala kada su oni osvijetljeni (fotoelektrični efekt) pretpostavljajući da se svjetlost sastoji od čestica.
Ti mali paketi energije bez mase kasnije su dobili naziv fotoni.
Pa što je onda svjetlost, val ili čestica?
Čini se da je odgovor - oboje.
Svjetlost se ponekad ponaša kao jedno, a ponekad drugo, ovisno o situaciji.
Kvantna teorija također nalaže da postoje temeljna ograničenja o onome što možemo znati o svijetu, a to je ideja koja je utjelovljena u Heisenbergovom principu neodređenosti.
Jedna od posljedica je da svjetlosni val nije opisan besprijekorno oscilirajućom sinusoidom.
Fotonska strana unosi određene nepravilnosti i u amplitudu vala i u njegovu fazu.
1960-tih je godina fizičar Roy Glauber zbrojio ove elemente u kvantnu teoriju svjetlosti zbog koje je dobio i Nobelovu nagradu.
On je pokazao kako se nesigurnost, bilo u amplitudi ili u fazi, može "stisnuti" dopuštajući da druga vrijednost poraste.
Takvi signali, koji se sastoje od manje neposlušnih, stisnutih fotona, mogu biti poput radio signala s manje šuma, što čini optičke komunikacijske mreže otpornijima na greške.
Ovaj se napredak sada koristi za povećanje osjetljivosti velikih mjernih instrumenata koje zovemo interferometri, a koje koristimo za traženje gravitacijskih valova predviđenih Einsteinovom općom teorijom relativnosti.
|
The power to move molecules
The photons that make up sunlight may have no mass, but they still carry momentum - and so exert a force on everything they touch.
It is not, admittedly, a big force.
At sea level on Earth, sunlight's "radiation pressure" is about 50 million times smaller than atmospheric pressure.
Applied to tiny objects or over a large area, however, it becomes something to be reckoned with.
The new field of optomechanics pushes things even further...
|
|
Moć pokretanja molekula
Fotoni od kojih se sastoji sunčeva svjetlost možda i nemaju masu, ali oni još uvijek nose moment i na taj način primjenjuju silu na sve što dodirnu.
Doduše, to nije velika sila.
Na razini mora na Zemlji, "radijacijski tlak" sunčeve svjetlosti je oko 50 milijuna puta manji od atmosferskog tlaka.
Međutim, kada se primijeni na sitne predmete ili preko velikog područja, on postaje nešto s čime vrijedi računati.
Novo područje optomehanike ide čak i dalje od toga...
|
Light waves in perfect synchrony
Solid, liquid and gas are the three phases of matter we learn about in school.
But we know of more.
There is also the ionised gas of charged particles known as plasma, and a rather chilly fifth phase, the Bose-Einstein condensate.
Bose-Einstein condensate requires temperatures close to absolute zero.
In theory, a Bose-Einstein condensate can be made from light itself.
Cooling light is a tough task, but in 2010 one team created the conditions for light condensation at room temperature.
They bounced photons between two mirrors, allowing dye molecules in between to continually absorb and re-emit the light.
The formation of a single, synchronised "super-photon" announced itself dramatically with a sudden, intense beam of yellow light...
|
|
Savršeno sinkroni svjetlosni valovi
Kruto, tekuće i plinovito stanje su tri agregatna stanja o kojima učimo u školi.
Ali poznajemo ih i više.
Postoji i ionizirani plin koji se sastoji od nabijenih čestica poznat pod nazivom plazma, te prilično hladno peto stanje, Bose-Einsteinov kondenzat.
Bose-Einsteinov kondenzat zahtijeva temperaturu blizu apsolutne nule.
U teoriji, Bose-Einsteinov kondenzat moguće je načiniti i od same svjetlosti.
Hlađenje svjetlosti je teška zadaća, ali je 2010. godine jedan tim stvorio uvjete za kondenzaciju svjetlosti na sobnoj temperaturi.
Oni su reflektirali fotone između dva ogledala, dopuštajući da molekule između njih koje im daju boju kontinuirano apsorbiraju i ponovno emitiraju svjetlost.
Formiranje jednog sinkroniziranog "super-fotona" ukazalo se na dramatičan način iznenadnom pojavom intenzivne žute zrake svjetlosti...
|
Slowing the light down
Imagine overtaking light on your bicycle.
It is perfectly possible.
In a vacuum, light travels at a constant speed.
On entering any more substantial medium, however, it slows down.
This causes the effect we call refraction.
Light rays reflected from a stick partly inserted into water, for example, speed up as they leave the water and change direction, making the immersed portion of the stick look like it bends upwards.
The factor by which an everyday material slows light down from its vacuum speed (its refractive index) is generally small.
For glass it is about 1.5, for water 1.33, and for air just 1.0003, resulting in speeds still far beyond our imagination...
|
|
Usporavanje svjetlosti
Zamislite pretjecanje svjetlosti na svom biciklu.
To je savršeno moguće.
U vakuumu, svjetlost putuje konstantnom brzinom.
Međutim, ulaskom u bilo koji jači medij ona usporava.
To rezultira efektom po imenu refrakcija.
Na primjer, zrake svjetlosti koje se odbiju od štapa dijelom uronjenog u vodu ubrzavaju kada izađu iz vode i mijenjaju smjer, pa uronjeni dio štapa izgleda kao da je savijen prema gore.
Faktor kojim svakodnevne tvari usporavaju svjetlost s njene brzine u vakuumu (njihov indeks loma) općenito je malen.
Za staklo on iznosi oko 1,5, za vodu iznosi 1,33, a za zrak samo 1,0003, a to još uvijek rezultira većim brzinama nego što ih možemo zamisliti...
|
Light pulse can have a precursor
According to the theory of relativity, it is only matter and information whose speed is limited.
A pulse of light is generally made up of many light waves of different wavelengths that each have different velocities when they travel through a material.
Its information content, however, is contained only at its leading edge, where the light first becomes perceptible...
|
|
Puls svjetlosti može imati prethodnicu
Prema teoriji relativnosti, samo su brzina tvari i brzina informacija ograničene.
Puls svjetlosti uglavnom se sastoji od mnogih svjetlosnih valova različitih valnih duljina, od kojih svaki ima različitu brzinu dok putuje kroz tvar.
Međutim, informacije koje puls svjetlosti sadrži nalaze se samo na prednjem rubu, gdje svjetlost najprije postaje uočljiva...
|
The invisibility effect
Around 300 BC, the Greek mathematician Euclid derived the laws of reflection by postulating that light travels in straight lines.
Last century, Einstein showed that a ray of light curves near a star-sized mass.
That is a useful trick, but we can't use a star to curve light on demand.
A theoretical suggestion made in 1964 by Victor Veselago of the Lebedev Institute in Moscow holds more promise in that regard.
Veselago suggested that it is possible to design a material that has a negative refractive index.
Such "metamaterials" were first made in the lab 10 years ago...
|
|
Efekt nevidljivosti
Oko 300 godina prije Krista, grčki je matematičar Euklid izveo zakone refleksije pretpostavljajući da svjetlost putuje pravocrtno.
Prošlog je stoljeća Einstein pokazao da se zraka svjetlosti savija u blizini mase veličine zvijezde.
Ovo je koristan trik, ali ne možemo koristiti zvijezdu kako bismo savijali svjetlost po želji.
Teorijski prijedlog iz 1964. godine koji je dao Victor Veselago iz instituta Lebedev u Moskvi po tom pitanju obećava više.
Veselago je sugerirao da je moguće osmisliti materijal koji ima negativan indeks loma.
Takvi "metamaterijali" su prvi put stvoreni u laboratoriju prije 10 godina...
|
Creating photons
Creating photons is not exactly difficult.
They are just packets of electromagnetic energy.
Hit an atom with a photon of the right frequency, and the atom gains energy as it absorbs the photon; equally, if an atom has more energy than it needs, it will emit a photon.
Enclose atoms and excite them with light of just the right frequency, and you get out many more photons than you put in - the amplification process that is the basis of the laser.
Photons can also be created from nothing.
Last month, Chris Wilson of Chalmers University of Technology in Gothenburg and his team found evidence of this effect...
|
|
Stvaranje fotona
Stvaranje fotona i nije osobito teško.
Oni su samo paketi elektromagnetske energije.
Pogodite atom fotonom prave frekvencije i atom će dobiti energiju jer će je upiti iz fotona; isto tako, ako atom ima više energije nego što mu je potrebno, on će emitirati foton.
Zatvorite atome i pobudite ih uz pomoć svjetlosti prave frekvencije i dobit ćete mnogo više fotona nego što ste ih ubacili - a ovo je proces pojačanja koji predstavlja osnovu lasera.
Fotone je također moguće stvoriti iz ničega.
Prošlog su mjeseca Chris Wilson sa Tehnološkog sveučilišta Chalmers u Gothenburgu i njegov tim pronašli dokaze za ovaj efekt...
|
Quantum superposition
We know it best as the story of Schrodinger's cat, seemingly both dead and alive at the same time.
That was an intentional absurdity, but for a photon, existence of a quantum "superposition" of different states is a fact.
Its electric field, for example, can be simultaneously both horizontally and vertically polarised.
This is an extraordinary property.
While the processing power of today's supercomputers is limited because currents can only ever be on or off, a photon in a superposition represents a "quantum bit", that is both on and off at the same time.
A quantum computer of just 150 quantum bits would have the processing power of all today's supercomputers combined.
We are making some progress.
Recently, a team of American and Australian researchers made a minimalist quantum computer...
|
|
Kvantna superpozicija
Znamo je najbolje kao priču o Schrodingerovoj mački, koja je naizgled istovremeno bila i živa i mrtva.
Ovo je bio namjerni apsurd, ali kod fotona zaista postoji kvantna "superpozicija" različitih stanja.
Na primjer, njegovo električno polje može biti istovremeno polarizirano i horizontalno i vertikalno.
Ovo je izvanredno svojstvo.
Dok je snaga obrade podataka današnjih superračunala ograničena jer struje mogu biti ili uključene ili isključene, foton u superpoziciji predstavlja "kvantni bit", koji je istovremeno i uključen i isključen.
Kvantno računalo od samo 150 kvantnih bitova imalo bi snagu obrade podataka svih današnjih superračunala zajedno.
Polako napredujemo.
Nedavno je jedan tim američkih i australskih istraživača izradio minimalističko kvantno računalo...
|
|
|
