https://ninkilim.com/articles/light_energy_information_life/da.html
Få begreber har båret så meget symbolsk vægt gennem menneskets historie som lys. Længe før vi kunne måle dets bølgelængde eller beregne dets energi, fornemmede folk, at lys var mere end et fysisk fænomen – det var en metafor for selve livet.
I den hebraiske bibel begynder skabelsen med ordene: „Lad der blive lys.“ I Koranen beskrives Gud som „Himmelens og jordens lys.“ I buddhismen er oplysning tilstanden af at vågne til sandheden. På tværs af traditioner er lys manifestationen af guddommelighed, renhed og visdom. Mørke er derimod uvidenhed, ondskab eller kaos.
Vores sprog bevarer disse metaforer. Vi „kaster lys“ over et problem, „ser lyset“, når vi forstår, og kalder nogen „strålende“, når de inspirerer. Viden er lyset, der fordriver uvidenhedens skygger.
Længe før nutidens religioner fejrede kulturer verden over vintersolverv – den korteste dag, hvor mørket når sit højdepunkt, og lyset begynder sin tilbagevenden. For tidlige samfund, der var afhængige af solen for varme og høst, var solhverv et vendepunkt for overlevelse og håb. Bål, fester og ritualer fejrede lysets genfødsel. Traditionen blev senere vævet ind i kristendommen som jul, men den dybere symbolik består: fornyelsen af livet gennem solens tilbagevenden. Selv i dag minder solhvervsfejringer os om lysets centrale plads i menneskets kultur.
Lys har derfor altid været mere end fotoner for os: det er energi, information og liv – i både materiel og åndelig forstand.
Efter at have levet med dets metaforer i årtusinder vendte menneskeheden sig til videnskaben for at spørge: Hvad er lys egentlig lavet af?
En foton kan betragtes som en mikroskopisk antenne eller en resonanskreds lavet af induktans og kapacitans – bortset fra uden fysiske dele. Den eksisterer og udbreder sig ved konstant at omdanne elektrisk energi til magnetisk energi og tilbage igen, en selvopretholdende oscillation, der gør det muligt for lys at bevæge sig gennem rummet.
Men fotoner er ikke begrænset til det snævre bånd af farver, der er synlige for vores øjne. De spænder over et enormt område, fra radiobølger længere end skyskrabere til gammastråler mindre end et atomkerne. På tværs af dette spektrum former de universet, opretholder livet og driver menneskets civilisation.
Hver foton kan beskrives på tre indbyrdes forbundne måder:
Disse er bundet sammen af lysets hastighed: c = λν. Længere bølgelængder betyder lavere frekvens og lavere energi, mens kortere bølgelængder medfører højere frekvens og højere energi. Området er forbløffende:
Dette spektrum viser, hvordan det samme kvantum – fotonen – udtrykker sig forskelligt på forskellige skalaer.
Forskellige fysiske processer giver anledning til forskellige dele af spektret:
På denne måde opstår fotoner fra antenner, atomer og kerner, der binder det fysiske univers sammen.
Fordi fotonens energi er proportional med frekvensen (E = hν), har radiofrekvensfotoner ekstremt lidt energi – billioner af gange mindre end synlige eller gammastråle-fotoner. Som følge heraf udsender antenner ikke én foton ad gangen på en måde, vi let kan detektere. I stedet frigiver de enorme mængder af fotoner samtidig.
En enkelt udsendelsesantenne kan udsende i størrelsesordenen 10²⁰ til 10²⁵ radiofotoner pr. sekund. For enhver modtager – eller for vores intuition – ser dette ud som en glat, kontinuerlig bølge. Kvantificeringen er der stadig, men den er skjult under den enorme mængde.
I modsætning hertil bærer højenergifotoner som ultraviolette, røntgen- og gammastråler nok energi individuelt til at blive detekteret én ad gangen. Deres partikellignende natur er åbenlys, hvilket er grunden til, at Einsteins forklaring af den fotoelektriske effekt fokuserede på ultraviolet lys, ikke radio.
Denne forskel i opfattelse er en af grundene til, at bølge-partikel-debatten varede så længe.
Vores forståelse af fotoner har udviklet sig gennem århundreder af debat og opdagelser.
Feynman opdagede ikke fotoner, men han gav os den mest fuldstændige og præcise forståelse af dem og forenede århundreder af modstridende teorier i én sammenhængende ramme.
Udover frekvens bærer fotoner en anden egenskab: polarisering.
Fordi en fotons elektriske felt altid skal oscillere vinkelret på dens bevægelsesretning, kan det orientere sig i enhver vinkel inden for den tværgående plan. Forestil dig en foton, der bevæger sig fremad: dens felt kan svinge vertikalt, horisontalt eller hvor som helst derimellem. Dette er polarisering.
En af de mest velkendte konsekvenser af polarisering er blænding. Når lys reflekteres fra en flad, horisontal overflade som vand, glas eller våd asfalt, er de reflekterede fotoner ikke tilfældigt orienterede. Fysikken i refleksion favoriserer horisontalt polariseret lys, fordi elektroner i overfladen genudstråler den elektriske feltkomponent, der ligger langs planet, mere effektivt.
Dette er grunden til, at polariserede solbriller fungerer så godt: de indeholder en vertikal polarisator, der blokerer horisontalt polariserede fotoner, mens de lader vertikale passere. Som følge heraf reduceres blænding fra veje, søer og forruder betydeligt.
I bilernes tidlige dage udforskede ingeniører endda en større idé: Hvad hvis polarisering kunne indbygges i bilerne selv? Forslaget var at gøre alle forlygter vertikalt polariserede, mens alle forruder blev udstyret med horisontale polarisatorer. Resultatet ville være, at modkørende forlygter automatisk blev filtreret, hvilket beskyttede chauffører mod blænding. Konceptet var smart og elegant, men for dyrt til masseproduktion på det tidspunkt. Ideen blev opgivet – hvilket efterlod solbriller som den mere praktiske løsning på det samme problem.
Polarisering kan også være mere eksotisk. Hvis fotonens elektriske felt har både vertikale og horisontale komponenter, og disse komponenter oscillerer ude af fase med en kvart cyklus, er resultatet cirkulær polarisering. Feltet svinger ikke længere frem og tilbage langs en enkelt linje, men sporer i stedet en spiral, der snor sig omkring bevægelsesaksen – en kontinuerlig sidedans snarere end en simpel oscillation.
Analogien til en dipolantenne holder stadig: Ligesom en dipol har blinde pletter langs sin akse, peger fotoner aldrig deres elektriske felt langs deres bane. De forbliver tværgående og svinger altid omkring deres bevægelsesretning.
På kvanteniveau udsendes fotoner i pludselige spring.
Excierede tilstande kan vare i nanosekunder eller timer, afhængigt af systemet, men når emission sker, er det øjeblikkeligt – et ægte kvantespring, uden halvvejs-tilstand og uden delvis foton.
Dette er den universelle mekanisme, hvormed fotoner bliver født.
Et af menneskehedens største triumfer i at udnytte fotoner er laseren.
En laser begynder med et reservoir af atomer holdt i exciterede tilstande. Denne populationsinversion skabes ved at pumpe energi ind i mediet – ved hjælp af en elektrisk udladning, en anden laser eller en kemisk reaktion.
De exciterede atomer er fanget mellem to spejle: et fuldt reflekterende og et delvist gennemsigtigt. Afstanden mellem spejlene er indstillet til at matche fotonens bølgelængde. Kun fotoner i resonans overlever gentagne refleksioner; resten udligner hinanden.
Først er emissionerne tilfældige. Så udsendes en foton spontant langs kavitetens akse. Denne foton bliver piloten, som gnisten i et lynnedslag. Dens elektriske felt definerer orienteringen og fasen for alle efterfølgende stimulerede emissioner. Naboatomer frigiver fotoner, der er nøjagtige kopier – samme frekvens, samme fase, samme polarisering.
Når piloten formerer sig, hopper fotoner frem og tilbage og forstærker hinanden. Når intensiteten bliver høj nok, undslipper en strøm gennem det halvgennemsigtige spejl.
Resultatet er laserlys:
I modsætning til det blandede, tilfældige lys fra en pære er en laser en disciplineret hær af fotoner, der marcherer i perfekt synkroni.
Fotoner er ikke bare fysikalske kuriositeter – de er grundlaget for universet.
Hvert åndedrag af ilt, hvert måltid, hver telefonsamtale, hver e-mail afhænger af fotoner.
Fotoner er kvanta af det elektromagnetiske felt, der spænder over et spektrum, der driver stjerner, opretholder liv og muliggør teknologi. De forvirrede generationer af videnskabsfolk, fordi de trodsede kategorierne bølge eller partikel.
Fotonernes historie begyndte med Newtons partikler og Huygens’ bølger, voksede med Maxwells ligninger, blev skærpet af Einsteins fotoelektriske effekt og fandt endelig sit klareste udtryk i Feynmans uranalogie og matematikken i QED.
Fra ubådssignaler til gammastråleudbrud, fra antenner til atomer og kerner, fra solbriller til lasere, fotoner er der. Og gennem Feynmans indsigt ser vi dem endelig klart – ikke bare som bølger eller partikler, men som lysets universelle kvanta.