¿La luz más brillante del universo? 2W pueden llegar a la luna, lo que explica cómo los humanos pueden aprovechar el potencial de la luz
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En términos generales, la lámpara de xenón pulsada de alto voltaje tiene el brillo más alto entre las fuentes de luz artificial y su brillo es comparable al del sol. Sin embargo, existe un tipo de luz artificial cuyo brillo máximo supera al de una lámpara de xenón en más de diez órdenes de magnitud (cien mil millones de veces), y es cien veces más brillante que el estallido de rayos gamma producido por la explosión estelar más violenta. en el universo.
El 20 de enero de 1968, en la luna a 300.000 kilómetros de la Tierra, la nave espacial estadounidense de exploración lunar "Surveyor 7" apuntó su cámara de televisión a la Tierra como una "luna creciente" suspendida en la oscuridad. En el vasto espacio, todo el continente norteamericano está a oscuras en este momento. Sin embargo, en la cámara aparecen dos puntos brillantes en el oscuro continente americano. ¿O las luces de la ciudad?
De hecho, uno de estos dos destacados proviene de un observatorio en Arizona, EE.UU., y el otro proviene de un observatorio en California. Son fuentes de luz láser producidas por láseres inventados hace unos años, con una potencia de tan solo 2W. Curiosamente, cuando se mira la Tierra desde la Luna, que está a 300.000 kilómetros de distancia, todas las ciudades brillantemente iluminadas están completamente oscuras y la cámara sólo puede observar estas dos fuentes de luz láser de 2 W.
La iluminación que produce este rayo láser de 2W en la luna es de unos 0,02 lux (cuando el flujo luminoso obtenido sobre una superficie de 1 metro cuadrado es de 1 lumen, su iluminación es de 1 lux). Se utiliza un láser de potencia de 1000 W. Cuando un reflector de xenón brilla sobre la Luna, la iluminación producida es sólo de aproximadamente una billonésima parte de un lux, lo cual es completamente invisible para el ojo humano.
La razón principal por la que el brillo del láser es tan alto es que una gran cantidad de fotones se concentran y emiten en un rango espacial muy pequeño, por lo que la densidad de energía del láser no puede tener límite superior como el poder aumenta.
El nombre completo del láser es "dispositivo de amplificación de luz generado por radiación estimulada". Inicialmente, el nombre chino del láser se traducía literalmente como "láser". En 1964, el Sr. Qian Xuesen lo cambió a "láser" y todavía se utiliza en la actualidad. La tecnología láser se considera uno de los cuatro grandes inventos del siglo XX, después de la tecnología de la energía atómica, la tecnología de semiconductores y la tecnología informática electrónica, es otro gran avance científico y tecnológico que afecta al mundo.
Hoy en día, la tecnología láser se aplica a todos los ámbitos de la vida y está muy relacionada con nuestra vida. Pero no importa si nos damos cuenta de que utilizamos tecnología láser todos los días, ¿cuántas personas entienden realmente el principio de la luz láser?
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Desde la antigüedad, el ser humano nunca ha dejado de explorar la “luz”. Los antiguos griegos creían que la luz eran "tentáculos" invisibles extendidos por el ojo humano. Cualquier cosa que estos tentáculos tocaran, el ojo humano podía ver algo.
Los antiguos chinos tenían un profundo conocimiento de la luz: el sol es la principal fuente de luz natural, complementada por la luna por la noche. Por lo tanto, los antiguos usaban la palabra "明" en las inscripciones de huesos de oráculos para describir la iluminación. El "Zhou Bi Suan Jing" de la dinastía Han Occidental también señaló: "El sol firma la luna y la luz de la luna nace, por lo que se convierte". una luna brillante". La palabra "luz" en las inscripciones de los huesos del oráculo es La apariencia de una persona sosteniendo un fuego, los antiguos señalaron muy claramente: "El sol es fuego".
En términos de luminiscencia, ya sea la fluorescencia de la luminiscencia secundaria o la fosforescencia de la oxidación a baja temperatura, los antiguos chinos también tenían un conocimiento profundo:
En "Huainanzi" en el Dinastía Han Occidental El fenómeno de la fluorescencia de la madera de fresno se registró por primera vez: si un bloque de madera de fresno se remoja en agua durante un día entero, se puede ver que emite fluorescencia de color púrpura, amarillo claro y otros durante la noche. Curiosamente, en la mitología griega, cuando Zeus creó a los humanos, los humanos nacían del fresno.
"Huainanzi Binxun" también registra: "La sangre se convierte en fósforo durante un largo período de tiempo". También describe vívidamente que la sangre en el suelo "está expuesta durante cien días y se convierte en fósforo". Parece que está ardiendo desde la distancia".
Zheng Fuguang, un famoso científico de la dinastía Qing en mi país, hizo un maravilloso resumen de la "luz": "Las cosas con luz caliente son yang, y aquellas con luz fría son yin. No hay Necesito hablar sobre el fuego yang. El fuego Yin es fósforo y luciérnaga, el agua de mar también tiene la luz del fuego, pero no tiene el calor del fuego.
Se puede ver en los registros anteriores. que la comprensión de los antiguos chinos sobre los fenómenos naturales es generalmente más profunda que la de los occidentales.
Sin embargo, en la época de Newton (siglo XVIII), la ciencia occidental se convirtió en la corriente principal del mundo. Newton creía que la luz era una partícula diminuta que viajaba por el espacio.
En 1704, Newton utilizó la teoría de partículas para explicar la propagación lineal, la reflexión, la refracción y el color de la luz en "Óptica". La teoría corpuscular de esta época era coherente con el marco conceptual de la mecánica clásica fundado por ella. La teoría corpuscular dominó la teoría óptica durante más de cien años.
“Aunque admiro el nombre de Newton, no creo que fuera infalible. Lamento comprobar que él también se equivocó, y que su autoridad a veces incluso obstaculizó el progreso de la ciencia. . ” p>
En 1801, el médico británico Thomas Young hizo una valiente declaración para desafiar a Newton en su libro "Esquema de experimentos y exploraciones del sonido y la luz".
Thomas Young propuso que el sonido y la luz son vibraciones elásticas -ondas- que se propagan en el fluido etérico que llena todo el espacio. También determinó con precisión los valores de longitud de onda de varios colores de luz mediante extensos experimentos.
Lo que es aún más respetable es que Thomas Young también realizó un famoso experimento de interferencia de doble rendija que tuvo un profundo impacto en la física clásica: colocó una vela en un pequeño agujero en la parte frontal del papel, creando así una fuente de luz puntual (fuente de luz emitida desde un punto). Hay dos hendiduras paralelas cortadas en la segunda hoja de papel detrás de esta hoja de papel. Cuando la luz de las velas pasa a través de las dos rendijas y se proyecta sobre la pared, se forman una serie de franjas claras y oscuras que se alternan.
Es una lástima que la situación de este médico en la comunidad científica de aquella época fuera similar a lo que hoy llamamos "ciencia popular" que sabía un poco de todo. Su trabajo fue criticado por las autoridades de la física. el momento. Para burlarse, para ser atacado como absurdo e ilógico.
Sin embargo, Lenin dijo: "La verdad suele estar en manos de unas pocas personas".
En 1818, un joven ingeniero civil francés, Augustin Fresnel, presentó una propuesta a la Academia Francesa de Ciencias En un artículo titulado "La luz es una onda", señaló que la luz, como las ondas del agua y las ondas sonoras, se difractará cuando encuentre obstáculos y rodeará los obstáculos cuando se encuentren diferentes ondas de luz. pueden interferir entre sí y formar franjas claras y oscuras.
Sin embargo, un fiel partidario de Newton refutó su opinión: el matemático francés Simon Denis Poisson creía que, según la teoría de Fresnel, si un rayo de luz se ilumina en paralelo sobre una pequeña bola, aparecerá un punto brillante. en medio de la sombra de la bolita. Esto es muy contrario al sentido común, porque la sombra debería ser negra, entonces, ¿cómo puede haber un punto brillante?
En ese momento, un físico británico, Dominique Francis Jean Arago, realizó un experimento bajo el testimonio de todos, que demostró que efectivamente había una luz brillante en medio de la sombra de la esfera.
Esto se debe a que aunque la bola bloquea la luz que incide sobre ella, también perturba la luz que pasa a su lado, provocando la difracción. Cuando estos rayos difractados se encuentran en el medio de la sombra de la bola, dado que todos han recorrido la misma distancia, tienen el mismo anhelo y la misma interferencia constructiva, por lo que debería aparecer un punto relativamente brillante en el medio.
Desde entonces, la teoría ondulatoria de la luz ha comenzado a atraer la atención del mundo.
Sin embargo, ya sea la teoría de partículas o la teoría de ondas, solo discuten un estado de propagación de la luz. Entonces, ¿cuál es la esencia de la luz?
En marzo de 1905, Einstein publicó un artículo titulado "Una visión especulativa sobre la generación y transformación de la luz" en los "Physical Annals" alemanes:
Para Para el valor medio del tiempo , la luz se comporta como una onda;
Para el valor instantáneo del tiempo, la luz se comporta como una partícula.
Esta es la primera vez en la historia de la ciencia que la naturaleza ondulatoria y partícula de la luz en estado microscópico se han unificado en una sola, es decir, la dualidad onda-partícula de las ondas de luz. En otras palabras, la luz tiene las propiedades duales de onda y partícula al mismo tiempo.
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He dicho mucho arriba, solo para que todos entiendan cuál es la esencia de la "luz". Esto juega un papel crucial en que los humanos aprovechen la luz y la procesen profundamente. A continuación, el foco del desarrollo de la ciencia y la tecnología humanas se centrará en una sola persona.
"Con Maxwell, hay luz."
Cuando se produce un gran avance en la ciencia, no sólo conmociona los corazones de las personas, sino que también afecta a las generaciones futuras.
En 1864, el físico británico James Clerk Maxwell integró en uno solo los tres fenómenos físicos de la electricidad, el magnetismo y la luz de la naturaleza, y los expresó en forma de ecuaciones matemáticas simples, simétricas y perfectas.
Resulta que la luz es una "onda electromagnética" en la que campos eléctricos y campos magnéticos se entrelazan entre sí y se propagan en forma de ondas.
Más de diez años después, el físico alemán Heinrich Rudolf Hertz utilizó un experimento de transmisión de energía con una doble bobina inductora para demostrar la existencia real de las ondas electromagnéticas. El establecimiento de la teoría electromagnética sentó las bases para el desarrollo posterior de diversos campos de alta tecnología, como las comunicaciones, la radiodifusión, las computadoras, la transmisión de información, la ciencia de los materiales y la investigación óptica.
Por lo tanto, la teoría electromagnética de Maxwell fue aclamada por Feynman como el mayor descubrimiento físico en la historia de la ciencia y la tecnología humanas. De hecho, tuvo un profundo impacto en el desarrollo de la civilización humana.
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Las ondas electromagnéticas son un tipo de energía, por lo que están muy relacionadas con la temperatura. Desde una perspectiva científica, cualquier materia por encima del cero absoluto (-273,15) emitirá ondas electromagnéticas.
Entonces, el láser también es un estado en el que la materia emite luz. Para entender el principio de generación del láser, primero debemos entender la estructura del "átomo" que constituye la unidad básica de la materia.
En términos generales, un átomo tiene una estructura estable: un núcleo y electrones circundantes que se mueven a gran velocidad.
Estos electrones se moverán en sus respectivas órbitas de nivel de energía. Cuando un átomo absorbe pasivamente un fotón, los electrones en la órbita exterior saltarán a una órbita de nivel de energía superior. Este es un estado inestable que sólo puede durar un corto período de tiempo. Cuando el átomo libera automáticamente este fotón, el electrón regresará a su órbita normal de baja energía (mostrada como luz) y regresará a su estado estable original. Esto lo llaman los físicos emisión espontánea.
En pocas palabras, según la ley de conservación de la energía, cuando la energía de un átomo cambia, la energía cambiada no se genera ni se pierde de la nada, sino que se transfiere en forma de fotones.
En 1917, Einstein señaló teóricamente que, además de la radiación espontánea, los átomos con niveles de energía altos también pueden saltar a niveles de energía más bajos de otra manera.
Cuando un fotón incide, también hará que los electrones en el átomo pasen rápidamente de un nivel de energía alto a un nivel de energía bajo con cierta probabilidad, y al mismo tiempo irradie un fotón con la misma probabilidad. misma frecuencia, fase, estado de polarización y dirección de propagación que los fotones externos, este proceso se denomina emisión estimulada de radiación.
Se puede imaginar que si hay un gran número de átomos en el mismo estado, cuando incide un fotón, uno de los átomos se excitará para producir radiación estimulada, y dos fotones con exactamente el mismo Se obtendrán estas características. Estos dos fotones luego estimularán dos átomos más. Luego se hará que los átomos produzcan radiación estimulada y se pueden obtener cuatro fotones con las mismas características. Por analogía, esto significa que el fotón inicial se puede amplificar continuamente varias veces. . La luz producida y amplificada durante la emisión estimulada de radiación es "láser".
En 1951, al físico estadounidense Charles Harder Towns se le ocurrió una maravillosa idea para mejorar la radiación estimulada: si se pudieran proporcionar átomos con altos niveles de energía de forma continua, esto garantizaría que se produjeran cada vez más átomos. más fotones hay.
Colocó estos átomos de alto nivel de energía entre dos superficies reflectantes, de modo que un fotón pudiera ir y venir entre los átomos de alto nivel de energía. Cuando se generaran suficientes fotones, pasaría de allí. un fotón a otro se emite una superficie reflectante ligeramente translúcida.
Esta fantástica idea de Townes se puede calificar como una gran idea, y todos los láseres posteriores se han aplicado a su idea.
Siete años después, Townes y el científico estadounidense Xiao Luo descubrieron otro fenómeno mágico: cuando enfocaban la luz emitida por una bombilla de neón sobre un cristal de tierras raras, las moléculas del cristal emitían luces brillantes, muy brillantes. que siempre se unen. A partir de este fenómeno propusieron el "principio del láser":
Es decir, cuando una sustancia es excitada por una energía igual a la frecuencia de oscilación natural de sus moléculas, producirá este tipo de no -luz fuerte divergente - láser. Esta teoría les valió el Premio Nobel de Física de 1964.
El 15 de mayo de 1960, Theodore Maiman, científico del Laboratorio Hughes en California, EE.UU., anunció que había obtenido un láser con una longitud de onda de 0,6943 micras. Se trataba del primer haz de luz láser real. jamás obtenido por la humanidad Con su láser, Maiman se convirtió en el primer científico del mundo en introducir el láser en campos prácticos.
El plan de Maiman es utilizar un tubo de flash de alta intensidad para excitar el rubí. Dado que el rubí es en realidad solo una especie de corindón mezclado con átomos de cromo, cuando se estimula el rubí, lo hará. emitir una luz roja. Se perfora un agujero en la superficie de una pieza de rubí recubierta con un reflector, de modo que la luz roja pueda escapar del agujero, produciendo así un haz de luz roja bastante concentrado y delgado. Cuando brilla en un punto determinado, puede. alcanzar una altura superior a la superficie del sol alta temperatura.
Conclusión
La búsqueda de la luz por parte de la humanidad nunca se ha detenido, y el láser es uno de los inventos más destacados de la humanidad. En la actualidad, la tecnología láser se ha aplicado a aplicaciones militares, médicas, industriales y comerciales. Los seis campos principales de la educación, la investigación científica y la información pueden considerarse herramientas importantes para que el país se mantenga al día.
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