Skip to Content

Scientific Associate of

icsu

ICO Awards

Affiliated Commission of

Kas ir gaisma?

 

Kas ir gaisma?

Barry R. Masters

Tik bienkårsi:  Lai top gaisma! Bet tagad sarežģītais -  patiešām, tikai, kas ir gaisma?


List of recommended reading

Un Dievs teica, “Lai top gaisma” un radās gaisma /Genesis 1:3/ 

Visu savu dzīvi es pārdomāšu, kas ir gaisma /Albert  Einstein, c. 1917/

 

 

Piecdesmit gadus, apzināti cenšoties saprast, nav novedis mani tuvāk pie atbildes par to, kas ir gaismas kvants. Protams, mūsdienās katrs blēdis domā, ka zina atbildi, bet patiesībā viņš māna sevi. /Albert Einstein, 1951/

photo

[CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons.

photo

[CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], via Wikimedia Commons.

Gaisma ir dzīves priekšnoteikums, jo tā ir galīgais enerģijas avots mūsu ikdienā. Gaisma ir neatņemama reliģijai. Stāstiem par to, kā kas ir radies, dzejai, literatūrai, valodai un kultūrai.  Par gaismu dēvē atmosfēras skaistumu – kā tas redzams saulrietā un saullēktā, varavīksnē, dabas parādībā – Aurora borealis un Aurora australis. Gaisma ir redzes priekšnoteikums, patiesībā gaismas un redzes teorijām ir sena vēsture, sākot no senajiem grieķu un arābu filozofu laikiem. Lai cilvēks redzētu, ir nepieciešama gaisma, tādas optiskās ierīces kā, piemēram, brilles, kontaktlēca, lāzera refraktīvā ķirurģija var redzes asuma uzlabošana. Gaisma var diagnosticēt un ārstēt acu slimības. Tas, kā gaisma tiek uztverta, ir saistīts ar gaismas un elektronu mijiedarbību atomu un molekulu līmenī. Šī teorija ir patiesa tīklenes fotoreceptoriem un pusvadītāja detektoram kamerās.

Krāsas ir tās, ka bagātina mūsu vidi, stimulē un iepriecina cilvēkus visas zemēs, rada skaistumu mūsu mājās, pilsētās un dzīvēs. Saules gaisma, mēness gaisma un zvaigžņu gaisma dod labumu un pievieno skaistumu un brīnumu katram Zemes iedzīvotājam. Gaisma ir mūsu modernās pasaules pamats, tās radīšana, manipulācija ar to, transmisija un uztveršana ir integrālis komunikācijai, ražošanai, medicīniskajām ierīcēm, publiskajai mākslai, gaismas šoviem, biotehnoloģijas instrumentiem, izglītojošām programmām un laboratorijas instrumentiem zinātnes un tehnoloģiju attīstībai. Gaismu dēvē arī par informācijas avottu visuma radīšanā, zvaigžņu fotofizikālajos procesos un universāliem dabas fizikālajiem likumiem visuma pastāvēšanas laikā.  Gaisma caur spektroskopu tika novesta līdz mūsu teorētiskajām un eksperimentālajām zināšanām par atomu un molekulu uzbūvi. Gaisma un tās mijiedarbība ar matēriju noveda līdzkvantu mehānikas izgudrošanai un attīstībai.  Tāpat arī gaisma ir nodarbinājusi dzejnieku, filozofu (no 5. gs  pirms Kristus dzimšanas), mākslinieku, zinātnieku un inženieru prātus. Mūsdienās gaisma savieno pilnīgi dažādus cilvēkus, kultūras, nācijas vienā ģimenē. Gaisma mūs fascinē, simulē un vieno. Bērni ir sajūsmā par to, kā ar palielināmā stikla palīdzību var koncentrēt gaismu un iekurt uguni. Cilvēki ir pārsteigti, ieskatoties teleskopā vai mikroskopā un ieraugot mikrokosmosu un makrokosmosu.

photo

Pa kreisi: skice Spirālveida Galaktika skatoties ar Birr pils teleskopu (1.8m atstarojošais. teleskops) lords Rosse uzņemts 1865.gadā. 2005.gadā NASA/ESA digitālo attēlu kombinācija zemes bāzes attēlu no „Kitt Peak” Nacionālās observatorijas 0,9 m teleskopa un kosmosa attēlu no Habla kosmiskā teleskopa (pa vidu), un Galaktika infrasarkanos putekļos (pa labi).

Vēsturiski ar gaismu saprot vilni, kvanta daļiņu un kvanta laukumu. Sarežģīti? Jā! Tik tiešām, jautājums “Kas ir gaisma?”  bieži vien tiek  atlikts kā “Kā gaisma uzvedas?”.  Nereti jautājums “Kas ir gaisma?” tiek aizvietots ar jautājumu "Kā gaisma izplatās un mijiedarbojas ar matēriju?".  Šajā esejā es lieku uzsvaru uz konceptuāliem pirmsākumiem par viļņu daļiņu duālismu un gaismas-matērijas mijiedarbības teorijām 20.gadsimta sākumā.Es diskutēju par Alberta Einšteina radošajiem ieguldījumiem, lai izprastu gaismas dabu un tās mijiedarbību ar matēriju. Einšteinu slavenu padarīja viņa relativitātes teorijas un eksperimantālie apstiprinājumi. Tomēr Einšteina ieguldījums optikas sfērā ir pārveidojis mūsu izpratni par gaismu, kā arī mūsu spēju manipulēt ar tās pielietošanu dažādās sfērās, piemēram, medicīnā, telekomunkācijās, fotonikā un fundamentālās fizikas pētījumos ar Boza-Einšteina (Bose-Einstein) kondensātiem. Viņa darbs stimulēja emisiju, kas bija ieguldījums lāzera attīstībā – ierīce, kas pārveido mūsu pasauli.  Einšteina publikācijas par gaismu ietekmēja Louis de Broglie un Erwin Schrodinger , kā rezultātā tika izgudrota ‘viļņu mehānika’. Einšteins savienoja domstarpības starp  radiācijas pavairošanu  komosā un radiācijas-matērijas mijiedarbību. Laika periodā no 1905. gada līdz 1016. gadam Einšteins ar gaismas kvanta absorbciju un emisiju izskaidroja mijiedarbību starp gaismu un matēriju. Tādējādi tika paskaidroti vairāki fizikāli fenomeni: Stokes’ fluorescences likums, gāzu jonizācija ar ultravioleto gaismu un fotoelektriskais efekts. Fotoelektriskajā efektā sliekšņa radiācijas frekvence ir incidents metāliskai virsmai un tiek  izdzīti elektroni, šis princips ir iekļauts gaismas detektoros, kā arīfotoelektronu pavairotāju caurulēs. Einšteina hipotēzes par inducetu vai stimulētu emisiju ir lāzera operāciju pamats.

Agrīnie eksperimenti par gaismas-matērijas mijiedarbību

Tas ir interesanti un pamācoši izpētīt priekštečus pirms Einšteina darba par gaismas-matērijas mijiedarbību. 1887.gadā Heinrihs Hercs (Heinrich Hertz), kurš radīja, atklāja, un raksturoja elektromagnētisko viļņu izplatīšanos, novēroja, ka ultravioletās gaismas ierosmē viņa dzirksteļspraugas rezonatori uzlabojuši savas spējas dzirksteļot. Viņa asistents, Vilhelms Halvaks (Wilhelm Hallwachs) 1888. gadā apstiprināja un paplašināja šos novērojumus, kad viņš nodemonstrēja, ka neitrāli metāli ultravioletā starojuma iespaidā iegūst pozitīvu lādiņu. 1899.gadā Džozefs Džons Tomsons (Joseph J Thomson) pētīja ultravioletā starojuma ietekmi uz "daļiņu" [elektronu] ražošanu no metāla plāksnes Crookes* caurules iekšpusē. Tomsons no plāksnes mērīja strāvu, kas palielināta ar frekvences un starojuma intensitāti. Viņš bija pirmais, kas publikācijā norādīja, ka ultravioletais starojums izraisa elektronu emisiju fotoeffekta rezultātā. 1902. gadā Filips Lenards (Philipp Lenard), kurš strādāja Ķīles universitātē, pierādīja, ka oglekļa lokizlādes lampas īsā viļņa garuma starojums raksturīgi uz metāla virsmas izraisīja elektronu emisiju. Izstaroto elektronu skaits, bet ne to kinētiskā enerģija, palielinās līdz ar gaismas intensitāti, un elektroni netiek izstaroti zem konkrētās frekvences. Lenards arī novēroja, ka emitēto elektronu maksimālā kinētiskā enerģija ir neatkarīga no intensitātes starojuma, bet tā palielinās līdz ar starojuma frekvenci; viņš mērīja trīs dažādu ultraviolēto gaismu frekvenču ietekmi uz elektronu emisiju no alumīnija plāksnes.

* elektriskās izlādes caurule ar daļēju vakuumu, izgudroja Viljams Krūks (William Crookes) un pārējie ap 1869.-1875.gadiem.

Einšteina gaismas kvants

1905. gadā Einšteins publicēja revolucionāro publikāciju, "Par heiristisko skatījumu uz gaismas iegūšanu un pārsūtīšanu", kurā viņš pētīto Boltzmanna statistikas termodinamiku ka starojuma entropija aprakstīta ar Vīna (Wien’s) izplatīšanās likumu kam ir tāda pati forma kā gāzes elementāro daļiņu vai kvantu enerģijas entropijai, ar katru kvantu proporcionāla atbilstošā viļņa frekvencei. Einšteins rakstīja: "zema blīvuma monohromātiskais starojums (melna ķermeņa starojuma Vīnes formula derīguma robežās [spēkā  / kT <<1] termodinamikas izpratnē uzvedas tā, it kā tas sastāvētu, it kā tas sastāvēja no savstarpēji neatkarīgu starojuma kvantu porcijām, [],” simbols h ir Planka konstante, k ir Boltzmann konstante un T ir temperatūra Kelvina skalā, un ν gaismas frekvence. Turklāt: "Kad gaismas stars izplatās ārā no punktveida avota, enerģija netiek izplatīta nepārtraukti laikā arvien lielākā apjomā, bet gan sastāv no noteiktu skaitu enerģijas kvantiem jeb enerģijas porcijām, kas ir lokalizētas punktos telpā, pārvietojas nedalāmas, un var tikt absorbētas vai izstarotas tikai kā nedalāmas vienības. "Einšteins alternatīvi izmanto vārdus enerģijas kvants (no vācu valodas vārda „Energiequant”) un gaismas kvants (no vācu valodas vārda „Lichtquant”). Šis enerģijas kvanta starojuma izplatīšanās jēdziens bija pretrunā ar Maksvela nepārtraukto viļņu elektromagnētisko starojuma teoriju. Desmit gadus vēlāk, 1916. gadā, Einšteins apsprieda viņa gaismas kvanta impulsu p=hν/c un nulles miera masu savā publikācijā: "Starojuma emisijas un absorbcijas kvantu teorijā", Deutsche Physikalische Gesellschaft. Verhandlungen 18, 318.

Fotons

Amerikāņu fizikālķīmiķis Gilberts N.Leviss (Gilbert N Lewis) ierosināja nosaukumu fotons tādā dokumentā, kas publicēts žurnālā "Nature" 1926.gadā.. "Šķiet nevietā runāt par vienu no šiem hipotētiskiem vienībām kā gaismas daļiņu, gaismas ķermenīti, gaismas kvantu vai gaismas kvants, ja mēs pieņemam, ka tas tērē tikai minūtes daļu no savas pastāvēšanas kā starojuma enerģijas pārnesēju, bet pārējā laikā tas paliek kā būtiska strukturālā elementu izstrāde saistībā ar atomu... Tāpēc es atļaušos ierosināt šo hipotētisko jauno atomu, kas nav gaisma, taču tam ir būtiska nozīme katrā starojuma procesā, dot nosaukumu fotons." Pēc Levisa termina „fotons" ierosināšanas 1926.gadā, daudzi fiziķi to pieņēma kā nosaukumu Einšteina gaismas kvantam. Tomēr Levisa fotona koncepcija bija pilnīgi atšķirīga no Einšteina. Kā H.Kraghs (H Kragh) atklāja, terminu "fotons" ierosināja ierosināja vismaz četri zinātnieki pirms 1926.gada. Vienīgis, kas joprojām ir spēkā no Levisa fotona, bija tā nosaukums. Turpmākās vēsturiskās atziņas ir atrodamas amerikāņu fiziķa  Villisa E. Lemba (Willis E.Lamb) 1995.gada publikācijā "Anti-fotons".

Einšteina hipotēze par gaismas kvantu dabu izskaidro fotoelektrisko efektu 

photo

Alberts Einšteins, 1921. gads.

Foto autors: F.Šmutcers

Einšteins izmantoja savu ideju par gaismas kvantu dabu, lai izskaidrotu fotoelektrisko efektu, ko nebija iespējams izdarīt, izmantojot Maksvela viļņu teoriju. Viņš rakstīja: „Ja monohromatisks starojums uzvedas (..) tā, it kā starojums būtu nehomogēna  vide, sastāvoša no enerģijas kvantiem ar lielumu tad šķiet prātīgi pārbaudīt, vai likumi, kas nosaka gaismas izstarošanu un pārveidošanu, arī nosaka, ka gaisma sastāv no šādiem enerģijas kvantiem.” Einšteins pieņēma, ka gaisma mijiedarbojas ar materiāliem, izstarojot vai absorbējot gaismas kvantus, tā postulējot jaunu mehānismu, lai izskaidrotu dīvaino fenomenu. Savu teoriju par fotoelektrisko efektu Einšteins skaidroja šādi: "Gaismas kvanti pārvar materiāla virsmu un to enerģija tiek pārvērsta elektronu kinētiskajā enerģijā; gaismas kvants visu tā enerģiju nodod tieši vienam elektronam. Viņš rakstīja: „Elektrons, kas atrodas materiāla iekšienē, daļu no enerģijas būs zaudējis, pirms tas sasniegs šī materiāla virsmu.” Turklāt viņš pieņēma, ka elektronam, atrodoties pie metāla virsmas, ir jāpaveic noteikts darbs Φ, (no metāla atkarīgs lielums, kas tiek saukts par izejas darbu), lai pārvarētu pievilkšanas spēkus, kas notur elektronu materiālā, un atrautos no virsmas; maksimālā kinētiskā enerģija šādiem elektroniem ir Φ. Mūsdienīgākā pierakstā: eV=Φ, kur ir elektrona lādiņš un ν ir bremzējošais spriegums, kas nepieciešams, lai apstādinātu ātrākos elektronus. Šis ir pirmais kvantu teorijas vienādojums, kas apraksta vielas un starojuma mijiedarbību. Einšteina piedāvātais fotoefekta skaidrojums tika apstiprināts 1912. gadā, kad Artūrs L. Hjūzs (Arthur L. Hughes) izmērīja no dažādiem metāliem nākošo fotoelektronu maksimālo ātrumu un pierādīja Einšteina fotoelektrisko vienādojumu.

Pirmo reizi kvantu hipotēze kādā citā fizikas nozarē ārpus starojuma fizikas tika izmantota 1907.gadā, kad Einšteins parādīja, ka enerģijas kvantēšanās var tikt pielietota arī cietvielās. Viņš izskaidroja anomālo temperatūras atkarību materiālu siltumietilpībai (t.i. tā samazinājās, samazinoties temperatūrai), modelējot cietvielas kā kvantētu oscilatoru režģi. Einšteina formula labi sakrita ar eksperimenta rezultātiem, ko 1910. gadā ieguva Valters Nernsts (Walther Nernst) un viņa asistents Frederiks A.Lindemans (Frederick A Lindemann).

Einšteina 1922. gadā iegūtā Nobela prēmija fizikā citēja viņa 1905. gada rakstu parfotoelektrisko efektu: „Par ieguldījumiem teorētiskajā fizikā un īpaši par fotoeletrisko efekta likuma atklāšanu.” Laikā, kad Einšteins attīstīja savu fotoelektriskā efekta teoriju, vairāki no pasaules ieverojamākajiem fiziķiem kā Makss Planks (Max Planck), Hendriks A. Lorencs (Hendrik A Lorentz), Makss fon Laue (Max von Laue), Vilhelms Vīns (Wilhelm Wien) un Arnolds Zommerfelds (Arnold Sommerfeld) nespēja pieņemt gaismas kvantu teoriju, piesaucot gaismas interferenci, kas bija izskaidrojama ar viļņu efektiem. Gan Planks, gan Lorencs spēja pieņemt, ka gaisma ar matēriju mijiedarbojas kvantētā veidā, taču atteicās pieņemt ideju, ka gaismas kvanti izplatās kā vilnis. Vērā ņemams izņēmums bija Johaness Štarks (Johannes Stark), kurš 1909. gadā piedāvāja ideju par lokalizētiem enerģijas kvantiem rentgenstarojumā, kā arī atbalstīja Einšteina hipotēzes. Einšteins apzinājās, ka viņa idejām ir nepieciešams eksperimentāls apstiprinājums vai arī tās jāaizmirst, tāpēc 1911.gadā Solveja (Solvay) kongresā viņš teica: „Es uzstāju uz šīs koncepcijas pagaidu raksturu.” 1921. gadā Mauriss Debrolī (Maurice de Broglie) trešajā Solveja konferencē Briselē ziņoja, ka viņa veiktā rentgenstaru ietekmes uz vielām un tam sekojošās elektronu emisijas analīze varētu tikt izskaidrota, pieņemot, ka rentgenstariem ir hν enerģija. Viņa brālis, Luiss Debrolī (Louis de Broglie), izlasīja Einšteina darbus par gaismu un, balstoties uz idejas par gaismas kvantiem, izstrādāja savu „matērijas viļņu teoriju”. Savukārt „viļņu mehāniku” Ervīns Šrēdingers (Erwin Schrödinger) balstīja tieši uz Luisa Debrolī idejām.

 

Skepse un eksperimentālais apstiprinājums Einšteina gaismas kvantu teorijai

 

photo

Bozes-Einšteina kondensāts. Ātruma sadalījuma dati (trīs skati) gāzei no Rubīdija atomiem, kas apstiprina jaunu agregātstāvokli – Bozes-Einšteina kondensātu. Pa kreisi: tieši pirms Bozes-Einšteina kondensāta parādīšanās. Vidū: tieši pēc Bozes-Einšteina kondensāta parādīšanās. Pa labi: pēc ilgstošākas iztvaikošanas, atstāts paraugs, kas sastāv no gandrīz tīra kondensāta. Attēls no NIST/JILLA/Cu-Boulder (NIST attēls) [Publiskais domēns], caur Wikipedia Commons.

1916. gadā Roberts A. Milikens (Robert A Millikan) ar augstu precizitāti apstiprināja Einšteina fotoelektrisko teoriju, papildinot Lenarda iepriekš veiktos eksperimentus. Milikens pierādīja, ka emitēto elektronu maksimālā kinētiskā enerģija ir proporcionāla starojuma frekvencei. Viņa iegūtās līknes bremzēšanas spriegumam atkarībā no krītošā starojuma frekvences sakrita ar Einšteina prognozēto lineāro raksturu, kā arī diviem dažādiem metāliem iegūtās h konstantes vērtības sakrita ar 1901. gadā Planka aprēķināto vērtību. Milikens arī parādīja, ka fotoelektronu skaits ir proporcionāls starojuma intensitātei. Neskatoties uz to visu, viņš tomēr nepiekrita Einšteina idejai par gaismas kvantu dabu.

Tikai pēc 1923. gada, kad Artūrs H. Komptons (Arthur Holly Compton) un, neatkarīgi no viņa, arī P.Debajs (Peter Debye) publicēja savus darbus par rentgenstaru izkliedi no elektroniem, kas bija balstīti uz Einšteina gaismas kvantu hipotēzi, fiziķu sabiedrība sāka pieņemt ideju par gaismu kā kvantu plūsmu. Komptons pētīja rentgena un gamma starojuma izkliedi vieglajos elementos. Savā 1923. gada teorijā viņš pierādīja, ka izkliedētā kvanta enerģija ir mazāka par sākotnējo kvanta enerģiju, un šī enerģijas starpība tiek nodota elektronam, uz kura starojuma kvants ir izkliedējies. Komptons izveda vienādojumu, kas saistīja izkliedētā starojuma pieaugošo viļņa garumu ar leņķi starp krītošo un izkliedēto staru. Elektrons ar masu m izkliedē rentgenstaru kvantus ar frekvenci ν. Tiek pieņemts, ka izkliedējošais elektrons sākotnēji ir miera stāvoklī; pēc sadursmes ar starojuma kvantu, elektrons tiek paātrināts. Pēc tam Komptons,  pieņemot, ka notiek enerģijas un impulsa saglabāšanās, izveda savu formulu viļņa garuma maiņai rentgenstarojuma izkliedes gadījumā:

photo

Komptons (Compton) apstiprināja savu teoriju ar vairākiem precīziem mērījumiem un rakstīja: “Skaistais apvienojums teorijai un eksperimentāliem datiem izkliedē ir pārsteidzošs… Nav neviena maināma konstante, kas savienotu abas datu kopas.” Viņš atklāja, ka viļņa garuma palielināšanās ir neatkarīga no viļņa garuma. Komptons secināja: “X-viļņu izkliede ir kvantu fenomens.” Turklāt: “… teorija pārliecinoši norāda, ka radiācijas kvants nes ne tikai vērstu impulsu, bet arī enerģiju.”

Einšteina teorija par duālo gaismas dabu (viļņa-daļiņu)

Pirmsākumi gaismas viļņa-daļiņu duālajai dabai ir atrodami Einšteina 1909. gada pētījumā (kas uzskatāms par pamatakmeni) par enerģijas svārstīšanos: “Pašreizējais statuss Radiācijas Problēmai.” Einšteins aprēķināja enerģijas svārstīšanos un impulsu savā analīzē par Brauna kustību (Brownian motion) (1905), kā arī izmantoja šīs analītiskās metodes melna ķermeņa radiācijai. Viņš vispārināja savu 1905. gada svārstīšanās teoriju no mehāniskām sistēmām (Brauna daļiņas) uz ne-mehānisku melna ķermeņa radiāciju. Einšteins izmeklēja enerģijas svārstīšanos melna ķermeņa radiācijai, kas ietvēra daļēju tilpumu izotermiskā dobumā ar temperatūru T. Sākot ar Planka melna ķermeņa sadalījuma likumu viņš uzrakstīja tā variāciju par enerģijas svārstībām kā:

photo

Kur < > apzīmē statistisko vidējo vērtību, ir radiācijas enerģija no frekfences starp ν y ν+dνc  ir gaismas ātrums vakuumā. Šī formula ir zināma arī kā Einšteina svārstību formula melna ķermeņa radiācijai. Viņš sprieda, no statistiskās mehāniskās analīzes, ka pirmais termins labajā pusē no vienādības zīmes norādīja uz radiācijas kvantu īpašībām. Šis termins, lineārs vidējai enerģijai, ir atrodams pie augstas frekfences limita, pie kura Vīna likums (Wien’s law) ir derīgs. Einšteins secināja, ka radiācija, it īpaši enerģijas svārstības, ir konsekventas ar gāzi, kas sastāv no neatkarīgām daļiņām, piemēram, gaismas kvanti, kam katram ir enerģijaa . Viņš sprieda no dimensionālās analīzes, ka otrais termins, enerģijas vidējās vērtības kvadrāts, nāk no viļņu interferences. Šis termins tiek iegūts no zemas frekfences radiācijas limita. Einšteins izdomāja, ka radiācija iekšā dobumā sastāv no normāla modeļa ar dažādām amplitūdām, fāzēm, polarizācijas stāvokļiem, un ka tie izplatās dažādos virzienos. Viņš apgalvoja, ka svārstības jebkādā daļēja tilpuma dobumā varētu veidoties no interferences starp dažādiem plakaniem gaismas viļņiem. 1909. gadā Einšteins rakstīja: “… nākamā fāze teorētiskajā fizikā mūs aizvedīs līdz teorijai, ka gaisma var tikt interpretēta kā viļņa un emisijas teorijas saplūšana…”

Einšteina teorija par stimulētu emisiju.

photo
Pirmais rubīna lāzers izjauktā veidā

9 gadus pēc tam, kad Einšteins izdomāja gaismas kvantu, viņš atgriezās pie problēmas, kas bija gaismas un matērijas mijiedarbība, it īpaši pāreja starp atomu enerģiju līmeņiem, kā arī gaismas kvanta nozīme šajos procesos. 1916. gadā, viņš postulēja stimulētu vai inducētu emisiju savā sākotnējā pētījumā “Radiācijas emisija un absorbcija kvantu teorijā” (“Emmision and Absorption of Radiation in Quantum Theory”). Šis pētījums ir ievērojams ar savu ievadu varbūtības pieejai kvantu fizikā. Tas ietvēra viņa tā sauktos “A un B koeficientus”, kā arī viņa paredzējumus procesiem, kur ir inducēta vai spontāna emisija. Tajā laikā, koncepts par enerģijas pāreju atomos, par starpniekiem esot absorbcijai un gaismas kvanta emisijai, nebija vispārēji pieņemts fiziķu kopienā. Bora teorija (Bohr’s theory) par ūdeņraža atomu neiekļāva ideju par fotonu, patiesībā, Bors šādu ideju noraidīja līdz pat 20. gadu sākumam. Jāpiemin, ka pat Makss Planks (Max Planck), kurš tiek uzskatīts par kvantu teorijas dibinātāju 1900. gadā, nepieņēma kvantēšanu līdz pat 1913. gadam, kad Bors kvantēja ūdeņraža atoma enerģijas līmeņus.

Einšteins pamatoja, ka radiācijas lauks var izraisīt ieguvumu vai zaudējumu enerģijai atomos. Viņš pieņēma, ka process ar diviem enerģijas stāvokļiem atomā (augšējais un apakšējais) un pāreja starp abiem ar fotona absorbciju vai emisiju, kura enerģija ir vienāda ar abu stāvokļu enerģijas starpību. Ja atoms absorbē fotonu, tad tā elektroniskā enerģija pieaugs fotona enerģijas dēļ un atoms būs ierosinātā stāvoklī. Atoms ierosinātā stāvoklī var spontāni emitēt fotonu un tad eksistēt zemākā elektroniskās enerģijas stāvoklī, vai zemākajā enerģijas stāvoklī. Enerģija no emitētā fotona ir vienāda ar enerģijas starpību starp ierosinātu un zemāko enerģijas stāvokli. Spontāna emisija no ierosināta stāvokļa var notikt, ja atomam nepienāk ienākoša radiācija. Inducētā jeb stimulētā emisijā atoms ierosinātā stāvoklī mijiedarbojas ar elektromagnētisko lauku, ierosinot elektrona pāreju no augstāka enerģijas līmeņa uz zemāku. Enerģijas starpība starp diviem stāvokļiem tiek pārnesta uz elektromagnētisko lauku.

Fotonam, kas radies šajā procesā, ir tāda pati frekvence, fāze, polarizācija un izplatīšanās virziens kā fotoniem krītošajā laukā.

Einšteins pieņēma, ka atomu kopums atrodas termiskā līdzsvarā. Viņš aprakstīja procesu, kurā pastāv augšējais un apakšējais enerģijas līmenis un kurā pāreja starp šiem līmeņiem notiek vai nu absorbcijas, vai emisijas veidā, turklāt fotona enerģija ir vienāda ar abu līmeņu enerģiju starpību. Atomu skaits augšējā un apakšējā līmenī ir nemainīgs. Termiskā līdzsvarā tilpuma vienībā starojumu absorbējošo atomu skaits ir tāds pats kā starojumu izstarojošo atomu skaits.Tālāk Einšteins sīkāk aprakstīja divus pāreju veidus. Pirmā veida pāreja novērojama, ja starojums tiek izstarots, nepastāvot nekādai ārējai ietekmei. Šī veida pāreju Einšteins salīdzināja ar Rēzerforda radioaktīvās sabrukšanas likumu. Zinātniskā valodā šo pāreju sauc par spontāno emisiju, kas novērojama gadījumā, ja nepastāv ārēja starojuma ietekme. Šo pāreju raksturo Einšteina koeficients A. Fotons, kas radies šajā procesā, var tikt izstarots jebkurā virzienā. Otrais pārejas veids novērojams, atomiem mijiedarbojoties ar krītošo starojumu. Einšteins pieņēma, ka krītošā starojuma ietekmes lielums ir tieši proporcionāls šī starojuma blīvumam un rada pāreju starp enerģētiskajiem līmeņiem. Otrā veida pāreju Einšteins skaidroja, izmantojot mikroskopiskā atgriezeniskuma principu, atbilstoši kuram ātrums, kādā notiek enerģijas pārnese no apakšējā uz augšējo līmeni, vienmēr sakrīt ar enerģijas pārneses ātrumu pretējā virzienā un var tikt attiecināts uz līdzsvarā esošu starojumu. Atbilstoši Einšteina teorijai stimulētā emisija novērojama tikai tad, ja atoma enerģētiskie līmeņi ir līdzsvarā ar starojuma lauku, ko apraksta Bolcmaņa sadalījums un kas atbilst Planka starojuma likumam. Ja Einšteina stimulētās emisijas koeficients (Einšteina koeficients) būtu 0, termiskajā līdzsvarā nepastāvētu stāvokļu Bolcmaņa sadalījums. Termiskajā līdzsvarā ir vienāds skaits atomu, kas iegūst un zaudē enerģiju. Viņš secināja, ka inducētās absorbcijas un emisijas varbūtības ir vienādas. Einšteina koeficienti nav atkarīgi no starojuma blīvuma.

Einšteins izteica hipotēzi, ka koeficienti A un B varētu tikt aprēķināti, ja tiktu radīta jauna elektrodinamikas un mehānikas teorija, kas ir saskaņā ar kvantu hipotēzi (jaunu kvantu mehāniku).Šī hipotēze apstiprinājās 1927. gadā, kad Diraks, izmantojot savu kvantu mehānikas teoriju, vienā no saviem darbiem atvasināja izteiksmi Einšteina  koeficienta B aprēķināšanai, savukārt otrajā darbā atvasināja izteiksmi Einšteina koeficienta A (spontānā emisija) aprēķināšanai.

photo

Supernepārtrauktības ģenerēšana fotoniskā kristāla šķiedrā. Attēls publicēts ar Starptautiskā gaismas gada 2015 izpildkomitejas priekšsēdētāja J. Dudlija (J. Dudley) laipnu atļauju.

Einšteina ieviestais stimulētā emisijas jēdziens tika eksperimentāli pārbaudīts vairākus gadu desmitus pēc tam, kad Einšteins to paredzēja. Bertoloti (Bertolotti) savā rakstā Kāpēc lāzers tika ieviests tik vēlu? (ICO Newsletter, 2010. gada janvāris, 82. numurs, http://e-ico.org/node/94) skaidro, kāpēc bija jāgaida tik ilgs laiks. 1954. gadā Gordons (Gordon), Zeigers (Zeiger) un Touns (Townes) ieviesa māzeri (mikroviļņu pastiprināšana, izmantojot stimulēto emisiju), kas darbojās mikroviļņu apgabalā. 1960. gadā Teodors H. Meimans (Theodore H. Maiman) radīja stimulēto emisiju rubīna kristālā, kas bija pirmā lāzera sastāvdaļa. 1964. gadā Nobela prēmija fizikā tika piešķirta Čārlzam H. Tounam (Charles H. Townes), Nikolajam G. Basovam (Nicolay G. Basov) un Aleksandram M. Prohorovam (Aleksandr M. Prokhorov) par viņu savstarpēji nesaistīto darbu lāzeru izpētē.

Atgriezīsimies pie sākotnējā jautājuma - Kas ir gaisma? Einšteins uzskatīja, ka fotons ir elektromagnētiskā lauka stāvoklis, turklāt šim laukam ir frekvence n, viļņu konstante k, enerģija hn un moments ћk. Fotons ir daļiņa, kam miera stāvoklī ir nulles masa, spins ir 1 un tam ir divi polarizācijas stāvokļi. 1924. gadā Einšteins rakstīja: „Pozitīvie Komptona eksperimenta rezultāti pierāda, ka radiācija it kā sastāv no diskrētām enerģijas porcijām, un tas attiecas ne tikai uz enerģijas, bet arī uz momenta pārnesi.” Šādā veidā pēc visiem šiem gadiem mēs atgriežamies pie apgalvojuma: „Starojums it kā sastāv no…”. Šis apgalvojums ne tik lielā mērā uzdod jautājumu: „Kas ir gaisma?”, bet gan jautājumu: „Kāda ir gaismas daba?”. Kaut gan sākotnējais jautājums vēl nav atbildēts, mūsu dziļākā izpratne par gaismu ir piešķīrusi krāšņumu mūsu dzīvei un pārveidojusi pasauli, kurā dzīvojam. Paldies par gaismu!

Barry R Masters, Independent Scholar, Cambridge, MA, USA

 


photo

Profesors Berijs R. Mesters (Barry R. Masters) ieguva doktora grādu Veismana zinātņu institūtā (The Weizmann Institute of Science), Izraēlā un bakalaura grādu Bruklinas politehniskajā institūtā (The Polytechnic Institute of Brooklyn). Profesors Mesters bija vieszinātnieks Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta Bioloģiskās inženierijas nodaļā, pētnieks Hārvardas Universitātes Zinātnes vēstures nodaļā, viesprofesors Bernes Universitātes Oftalmoloģijas nodaļā un anatomijas un šūnu bioloģijas profesors Veselības zinātņu Universitātē. Viņš ir Amerikas progresīvās zinātnes asociācijas (AAAS), Amerikas optikas biedrības (OSA) un SPIE biedrs. No 1999. līdz 2000. gadam Mesters bija AAAS Kongresa zinātnes un inženierijas biedrs un likumdošanas asistents ASV kongresā. Par pētījumiem oftalmoloģijā kopā ar Dr. Bonki (Dr. Böhnke) viņš ticis apbalvots ar Vogta balvu (augstākais Šveices apbalvojums par pētījumiem oftalmoloģijā) par darbu: „Radzenes konfokālā mikroskopija”. Profesors Mesters publicējis 86 zinātniskus pētījumus un 143 grāmatu nodaļas un konferenču rakstus. Viņš ir 10 grāmatu redaktors/autors (Neinvazīvās diagnostikas metodes oftalmoloģijā; Konfokālā mikroskopija un multifotonu ierosmes mikroskopija: dzīvu šūnu attēlošanas pamati, Biomedicīniskās nelineārās optiskās mikroskopijas rokasgrāmata (ar Pēteri So)). Šobrīd viņš raksta jaunu grāmatu (Superaugsta izšķirtspēja optiskajā mikroskopijā: paaugstinātas izšķirtspējas un kontrasta iespējas) (Kembridžas Universitātes izdevniecība). Viņš lasa lekcijas par šādām tēmām: Rūpīgi izstrādāta zinātniskā pētniecība, Biomedicīniskā ētika, Kritiskā domāšana un biomedicīniskā fotonika.

 

Tulkotājs: University of Latvia SPIE Chaper team. Advisor: Janis Spigulis

Alise Kalteniece BSc, MSc Optometry and Vision Sciences, Optometrist at the Latvian American Eye Center

B. Optom. Brigita Zutere, Biology Master`s Degree Programme of the University of Latvia

MSc. Physics Lasma Asare, Lector at Rigas Stradins University and Research Assistant at University of Latvia

MSc Phys Arturs Cinins, Acting researcher, Institute of Atomic Physics and Spectroscopy, University of Latvia

Raitis Grzibovskis Researcher assistant, Institute of Solid state physics, University of Latvia

Varis Karitans Dr. Phys. un Leading researcher at the Institute of Solid State Physics, University of Latvia

Daiga Cerane Student of Optometry and Vision Sciences in University of Latvia


International Commission for Optics

Bureau members (2014-2017):

President: Y. Arakawa;
Past-President: D. T. Moore;
Treasurer: J A Harrington;
Secretary: A M Guzmán, CREOL, The College of Optics and Photonics, University of Central Florida, PO Box 162700, 4000 Central Florida Blvd,Orlando, FL 32816-2700, USA; e-mail angela.guzman@creol.ucf.edu
Associate Secretary: G von Bally;
Vice-Presidents, elected: J. Harvey, F. Höller, H. Michinel, J. Niemela, R. Ramponi, S-H Park, J. Zakrzewski, M. Zghal
Vice-Presidents, appointed: Y. J. Ding, J. C. Howell, S. Morgan, E. Rosas, P. Urbach, A Wagué, M. J. Yzuel
IUPAP Council Representative: C Cisneros

Editor in chief:

A. M. Guzmán

Editorial committee:

K Baldwin, Australian National University, Australia;
J Dudley, Université de Franche-Comté, France;
William T Rhodes, Florida Atlantic University, USA.