Valon historia – näkösäteistä valokvantteihin

Valon historia – näkösäteistä valokvantteihin
Jukka Maalampi
Fysiikan laitos
Jo muinaiset kreikkalaiset…
Vanhimmat teoriat valosta ja näkemisestä esitettiin antiikin Kreikassa. Filosofi
Empedoklesin mukaan näkeminen perustuu ihmisen silmästä lähteviin
näkösäteisiin, jotka osuvat esineeseen ja tekevät sen näkyväksi. Empedokles eli
400-luvulla eaa ja oli kuuluisa neljän alkuaineen - maa, vesi, ilma ja tuli –
teoriastaan. Näkösäteet olivat tulta. Aurinkoa tarvittiin tässä teoriassa
tekemään näkösäteiden toiminta mahdolliseksi. Se selittää, miksi silmästä
lentävät tulisäteet eivät toimi yöllä. Myöhemmät kreikkalaiset filosofit
jalostivat Empedoklesin teoriaa kahdenlaisten säteiden malliksi, jonka mukaan
näkeminen perustuu silmästä ja esineestä tulevien säteiden yhteispeliin.
Islamilaisen tieteen suurmies
Modernin optiikan isäksi sanotaan Basrassa, nykyisessä Irakissa noin tuhat
vuotta sitten syntynyttä Alhazenia (Abū ‘Alī al-Haṣan ibn al-Haṣan ibn alHaitham). Alhazen oli ensimmäisiä kokeellisia tutkimuksia tehneitä
luonnonfilosofeja, jolla oli suuri vaikutus renesanssiajan tiedemiehiin,
tieteellisen vallankumouksen tekijöihin. Hän tutki mm. linssien ja peilien
toimintaa ja valon taittumista sekä näkemisen fysiologiaa ja kirjoitti niistä 7osaisen kirjan. Hän keksi myös neulansilmäkameran. Alhazenin mukaan
näkeminen johtuu esineeseen osuneen valon, esimerkiksi auringonvalon,
heijastumisesta silmään.
Newton ja valohiukkaset
Isaac Newton tunnetaan liikettä, voimaa ja painovoimaa koskevista laeistaan,
mutta myös hänen valoa koskevat tutkimuksensa olivat vallankumouksellisia.
Hän osti 1664 markkinoilta prismoja, joiden avulla hän keksi paljon uutta valon
luonteesta. Hän osoitti, että valo koostuu lukemattomista erivärisistä osista,
jotka prisma hajottaa spektriksi. Hän myös selitti, mistä esineiden värit johtuvat.
Newton ajatteli, että valo on pienen pienten valohiukkasten eli korpuskeleiden
virtaa.
Hiukkasia vai aaltoja?
Newtonin valohiukkasteorian kilpailija oli aaltoteoria. Sen mukaan valo on
avaruudessa olevan näkymättömän aineen maailmaneetterin aaltoilua,
samanlainen ilmiö kuin veden aaltoilu tai ääniaallot. Taitelu näiden mallien
välillä oli tuimaa. Se ratkesi lontoolaisen lääkärin Thomas Youngin vuonna
1800 tekemään kaksoisrakokokeeseen, joka osoitti valon käyttäytyvän
aaltojen tapaan. Myös August Fresnelin oikeaksi osoittautunutta ilmiötä,
että pyöreän esineen varjon keskellä on valoisa piste, oli mahdotonta
selittää valohiukkasten avulla.
Valo on sähkömagneettinen ilmiö
Skotlantilainen James Clerk Maxwell keksi 1860-luvulla teorian, joka selitti kaikki tunnetut sähköön ja
magneettisuuteen liittyvät ilmiöt. Kaupanpäälle hän ennusti kokonaan uuden ilmiön, sähkömagneettisen
säteilyn. Pian osoitettiin, että valo on yksi muoto tätä säteilyä, sähkökentän ja magneettikentän aaltoilua.
Valo on siis samanlaista säteilyä kuin esimerkiksi radioaallot, röntgensäteily tai mikroaallot, mutta sillä on
erilainen aallonpituus kuin muilla säteilyillä. Maxwellin teoria myös osoitti, että valon kulkee aina samalla
nopeudella.
Einsteinin valokvantit
Albert Einstein esitti vuonna 1905 ajatuksen, että sähkömagneettinen säteily
koostuu pienistä hiukkasmaisista osista, valokvanteista. Se oli Nobelin palkinnon
arvoinen ajatus. Valo on siis kvanttien eli fotonien virtaa. Emme näe jokaista
fotonia erikseen, vaan aistimme valon jatkuvana ilmiönä.
Sata vuotta sitten Einstein keksi myös uuden teorian gravitaatiolle eli yleisen
suhteellisuusteorian. Se ennusti valolle uusia piirteitä. Valon luonnollisin tie ei
olekaan suora vaan avaruudessa oleva aine saa sen kaartelemaan, ja valon värikin
voi muuttua painovoiman vaikutuksesta.