Světlo

Egyptský bůh slunce Re

Zájem o světlo a civilizace šly vždy ruku v ruce. Mezi nejznámější příklady fascinace světlem z dávné historie patří uctívání boha slunce Re ve Starém Egyptě. A jakkoli se dnes mohou zdát názory tehdejších lidí mýtické, už tehdy bylo světlo vnímáno jakožto dárce života, a tudíž zdroj energie.

Význam světla v procesu vidění však lidem překvapivě dlouho unikal. Lidé trvali na tom, že zrak musí být analogický hmatu a význam oka je přitom aktivní. Jako by člověk zrakem věci kolem sebe „ohmatával“. Dnes se tato hypotéza označuje jako emisní teorie vidění.

Teprve středověk byl však obdobím (navzdory stereotypu označovat jej jako „dobu temna“), ve kterém proběhly klíčové pokroky v lidské perspektivě. Fundamentální bylo prohlédnutí muslimského učence Hasana Ibn al-Haythama, který jako první správně interpretoval jev tzv. „camery obscury“.

Pokud v temné místnosti vyvrtáme drobný otvor, kterým dovnitř proniká zvenčí světlo, na protější straně můžeme spatřit obraz okolního světa. To bylo známo již dlouho. Revoluční však byla spravná interpretace, proč je obraz převrácený. Tento jev lze tedy vysvětlit jednoduchým předpokladem, že světlo se ve volném prostoru šíří přímočaře. Pokrokovost tohoto poznatku se nejlépe projevila v renesančním malířství, které vneslo do obrazu prostor.

Určitě stojí za povšimnutí, že pokračující zdokonalování malířství raného novověku, zejména v Nizozemí, následovalo linku, zaměřenou na světlo. Tentokrát v pochopení, jak světlo interaguje s objekty kolem sebe. A není náhodou, že ve stejné době, kdy malíř Rembrandt dumal nad tím, jak zachytit autentický odlesk kovu či lidských vlasů na plátně, přírodovědec van Leeuwenhoek pozoroval v mikroskopu první detaily mikroskopického světa. Za zmínku stojí, že pozoroval objekty, které i dnes rozpoznáváme na hranici rozlišení optického mikroskopu. Jinými slovy, už první mikroskopy dosáhly limitu, jaký světlo jako okno do mikrosvěta přináší.

Promítnutí pohledu na světlo do umělecké tvorby

Dalším fascinujícím objevem této éry vědeckých průlomů bylo první opravdové změření rychlosti světla. Ole Rømer geniálně využil faktu, že periody astronomických jevů lze měřit velmi přesně i bez nutnosti přesných hodin, a to jednoduše dostatečnou délkou pozorování. Sledováním změn v periodě zatmění Jupiteru, i přes nesmírnou rychlost, jakou se světlo pohybuje, byla tato hodnota správně odhadnuta na přibližně 300 000 kilometrů za sekundu. Lidstvo následně muselo čekat téměř 200 let na laboratorní ověření, které ukázalo, že tato hodnota se liší od té exaktní o méně než jedno procento.

Ole Romer a princip jeho pozorování periody oběhů jupiterových měsíců

Nenápadným, ale velmi důležitým objevem této doby bylo zjištění, že sluneční světlo obsahuje složky za hranicí barev, které okem vidíme. Od té doby je označujeme jako infračervené a ultrafialové paprsky. William Herschel si současně povšiml, že infračervené paprsky mají silně tepelné vlastnosti, naopak ultrafialové paprsky mění chemickou strukturu látek.

Znázornění principu rozkladu světla na hranolu a s ním spojený objev infračervené oblasti elektromagnetického spektra Williama Herschela

Následující století bylo stoletím sporu o to, zda je světlo povahy vlnové, anebo částicové. Každá z těchto teorií měla na svojí straně jednoho velikána. Vlnovou teorii prosazoval Christiaan Huygens, a korpuskulární (částicovou) pak nikdo menší než Isaac Newton. Difrakční experimenty jasně ukazují interferenční povahu světla, takže až do začátku dvacátého století se zdálo, že Newton se mýlil a světlo je vlněním. Tento názor byl posilněn jedním z největších průlomů v teoretické fyzice, když se J. C. Maxwellovi podařilo zformulovat úplné zákony elektrodynamiky ve formě slavných Maxwellových rovnic.

Maxwell dokázal, že rovnice se dají převést do formy analogické vlnové rovnici. To dalo do souvislosti elektrické konstanty a rychlost světla. A ukázalo se, že světlo není nic jiného než vlnová manifestace elektromagnetických vln. Světlo lze chápat jako proces, při kterém magnetické a elektrické pole periodicky stimulují jedno druhé.

Čtyři základní Maxwellovy rovnice známé jako Coulombův, Ampérův a Faradayův zákon doplněné o zákon vyjadřující neexistenci magnetických monopolů

Čtyři základní Maxwellovy rovnice s jejich vyobrazeným fyzikálním významem

A nebylo to nic jiného než další studium podstaty světelného záření, které vedlo k objevení mezer v tzv. „klasickém fyzikálním“ pojetí světa. Fyzika nedokázala vysvětlit, proč horké předměty nezáří primárně v oblasti krátkých vlnových délek. Existující teorie dobře pasovaly na experimenty v oblasti dlouhých vlnových délek světla, ale absolutně selhávaly v ultrafialové oblasti. Až právě Max Planck přišel na to, že správná rovnice popisující toto záření dává smysl pouze za předpokladu, že energie se mezi hmotou a světlem předává v kvantech energie a nikoli spojitě.

Popis záření absolutně černého tělesa pomocí Planckova vyzařovacího zákona

Na jiné frontě absolutní selhaní pokusů zachytit změnu v rychlosti světla v závislosti na rychlosti experimentální aparatury vedlo Alberta Einsteina k formulaci speciální teorie relativity. A ten samý génius přišel s objevem, že fotoelektrický jev, kdy ionizace materiálu není závislá na intenzitě, ale spíše na vlnové délce světla, lze vysvětlit tak, že světlo samotné se skládá z balíčků energie, kterým dnes říkáme fotony. Toto zjištění naopak posloužilo ke správné interpretaci vyzařovaných spekter atomů a formulaci první kvantové teorie atomu.

Popsáním stimulované emise pak bylo lidstvo jen krůček od sestavení funkčního prototypu laseru. LASER (zkratka anglické formulace výrazu „světelný zesilovač na bázi stimulované emise světla“) je tedy jakýsi transistor, který místo zesilování elektrického proudu elektronů zesiluje elektrodynamický proud fotonů. Hlavní silou LASERU je fakt, že produkuje veliké množství fotonů, které jsou téměř všechny v identickém kvantovém stavu. Tato fráze může znamenat hodně a taky tomu tak je, laserů existuje nespočet druhů. Častá chyba zjednodušených textů je, že laser vyzařuje dokonale monochromatické světlo. To platilo pro první lasery. Nicméně dnes existují i lasery, které produkují dokonale bílé světlo. Pořád se tyto zdroje fundamentálně i prakticky liší od lampy tím, že všechny „bílé fotony“ jsou svými dvojčaty.

Albert Einstein a popis principu stimulované emise jako základu pro konstrukci laseru

LASER (zkratka anglické formulace výrazu „světelný zesilovač na bázi stimulované emise světla“) je tedy jakýsi transistor, který místo zesilování elektrického proudu elektronů zesiluje elektrodynamický proud fotonů. Hlavní silou LASERU je fakt, že produkuje veliké množství fotonů, které jsou téměř všechny v identickém kvantovém stavu. Tato fráze může znamenat hodně a taky tomu tak je, laserů existuje nespočet druhů. Častá chyba zjednodušených textů je, že laser vyzařuje dokonale monochromatické světlo. To platilo pro první lasery. Nicméně dnes existují i lasery, které produkují dokonale bílé světlo. Pořád se tyto zdroje fundamentálně i prakticky liší od lampy tím, že všechny „bílé fotony“ jsou svými dvojčaty. Více o funkci laseru lze nalézt v samostatné kapitole ve studovně.