Är färg och ljus samma sak? Är ljuset ett flöde av små partiklar eller en vågrörelse? Vetenskapsmän, filosofer och konstnärer har genom tiderna försökt förstå ljusets natur.
Vi tar det för givet då vi noterar att ljuset och värmen varje vår återkommer och med dem flyttfåglarna. Snart ska örterna blomma som allra bäst och livet bli lite lättare. Soldyrkan i faraonernas värld liksom hedniska solriter i Stonehenge och frusna nordbor som värmer sig i marssolen visar alla hur viktig solen är för människan. Författare som Ivar Lo Johansson och Harry Martinson har omtalat hur besvärligt det var för läshungriga människor med arbetarbakgrund att stilla sitt läsintresse före glödlampans tidsålder. I modets och heminredningens, filmens och bildkonstens värld spelar ju färger en viktig roll. Men är färger och ljus samma sak?
Många vetenskapsmän, filosofer och konstnärer har grubblat och försökt förstå ljusets natur, men då man trott sig ha fångat dess egenskaper visade det sig att man bara kommit till ett nytt vägskäl med nya oanade frågeställningar. Många misströstade och det är först nyligen som konsensus uppnåtts om att ljusets grundläggande fysiska egenskaper kan förstås. Detta var 2012 års Nobelpris i fysik ett kvitto på. Likafullt var det man fann i många avseenden förnuftsvidrigt och ingen har nog förstått vad ljus ”egentligen är”? Men låt oss ta allt från början.
Svårigheten med att vetenskapligt undersöka ljus är, som en kollega sa till sina studenter: ”att se ljus är att se det osynliga”! Vad vi i stället kan iaktta är att det händer något när ljuset träffar och interagerar med materia som glas. Sådana linser eller system med linser kunde användas som glasögon, kikare och mikroskop. Redan på 1600-talet uppnåddes en inte oäven kvalitet.
Optik var den första vetenskap som Isaac Newton intresserade sig för. I sin ungdom satt han ofta i ett slags camera obscura i Cambridgesuniversitetets källare och utförde med spänd förväntan sina ljusexperiment där prismor och krökta speglar ledde honom in i en okänd värld. Han upptäckte att det vita ljuset från solen med hjälp av en prisma gick att dela upp i regnbågens färger. Han började tidigt också experimentera med sina egna ögon för att undersöka om synintrycken var ”själsliga” eller gick att påverka mekaniskt. Han lirkade därför in en lång hårnål med rundad spets mellan ögongloben och benet som bildar ögonhålan och fann att hans synintrycks form och färgnyanser gick att manipulera och drog den viktiga slutsatsen att färgerna bara fanns i vår hjärna men var kopplat till olika brytningsvinklar i en prisma. Då jag som fysiklärare har undervisat om detta har eleverna ibland skakat på huvudena eftersom färger för dem inte är hjärnspöken utan något påtagligt. Detta visar också att fysiken i grunden är humanistisk – människans syn på världsalltet.
Newtons dröm var att även kunna utforska ljusets natur – var det ett flöde av små partiklar eller en vibrerande vågrörelse? Han lutade åt det förra men lyckades inte hitta ljuspartikeln eller den vibrerande vågen. Det var Augustin Fresnel och James Clark Maxwell som genom både experiment och beräkningar visade att ljusstrålar bildade vågmönster. Detta var ett stort genombrott och många tyckte att ekvationerna, som beskrev ljusets vågrörelse och elektromagnetiska fält, hade en närmast gudomlig skönhet med sitt symmetriska formelspråk. I Maxwells ekvationer fanns alltså ett dolt budskap som kunde förklara alstring av ljus, värme och de då okända radiovågorna. Strålning och elektromagnetism hette budskapet som kunde förklara ”allt”. Denna villfarelse var inte direkt ovanlig mot slutet av 1800-talet.
Det var Albert Einstein som 1905 sådde ett första tvivlets frö om att Maxwells beskrivning inte gällde i atomernas värld. Han hade detta år lanserat en teori som beskrev hur ljus som träffade en metallisk yta kunde slå ut elektroner – fenomenet kallades fotoelektriska effekten. För att beskriva fenomenet korrekt kom Einstein med den djärva hypotesen att ljuset bestod av små separata ”kvanta” av energi. Det låter mycket märkligt för det innebär att ljuset, förutom att det är en vågrörelse, består av en ström partiklar vilket var ett fundamentalt brott mot logikens lagar. Inget i sinnesvärlden kan ju både vara en partikel och en våg, varför Einstein möttes med kalla handen av sina kolleger. Visserligen hade den tyska fysikern Max Planck redan 1901 på oklara grunder hävdat att värmestrålning från en fast kropp var kvantiserad men förklarat det med att atomerna svängde likt gitarrsträngar med olika grund- och övertoner.
Med tiden skulle stödet för Einsteins ljuspartikel öka. För precis 100 år sedan presenterade Danmarks stora fysiker Niels Bohr en atomteori som korrekt kunde beskriva det ljusspektrum som vissa grundämnen sände ut. Det är den modell som alltjämt ofta används i skolundervisning och bygger på att ljus avges då elektroner som kretsar rumt en atomkärna (likt planeterna runt solen) hoppar mellan olika banor. Energiskillnaden mellan banorna omvandlas till ljus eller annan slags strålning. På detta vis kunde man förklara varför ljus avges då ämnen upphettas. Men fortfarande var ljuset en vågrörelse och inget annat.
Först 1925 stod det klart att Einstein hade haft rätt i princip. Det var flera olika upptäckter som då ledde fram till dagens stora teoretiska modell över atomernas och elementarpartiklarnas värld – kvantmekaniken. Där var sådana ”orimligheter” som att ljuset kunde vara både våg och partikel vardagsmat.
Då behövdes ett namn på ljuspartikeln och på förslag av kemisten Gilbert Lewis fick den heta foton. Allt verkade kring 1930 vara frid och fröjd. Problemet var bara att ingen hade observerat denna foton i sitt labb. I stället såg man en vågrörelse. Atomer och elektroner hade man däremot iakttagit eftersom de var massiva och hade en stabil struktur. Men fotonerna gäckade och tiden gick medan missmodet spred sig. Fanns det verkligen fotoner i sinnevärden och inte bara som teoretiska formler och diffusa klick i en detektor?
Men hur gör man då man letar efter en foton? Principen för experimenten är enkel och framgår av högra strålgången i bilden ovan. Ljusstrålen splittras upp i två strömmar med halva intensiteten. De färdas lika lång väg tills de når sin detektor. Om strålarna är vågor sker registreringen alltid i båda detektorerna samtidigt men om de är partiklar sker den bara i den ena. Men ingetdera inträffade utan ibland klickade det i båda, ibland bara i den ena vilket var förbryllande. På 1950-talet tyckte några fysikerna på skämt att en kvantdemon saboterade deras experiment.
Det fanns ändå en systematik i fotonexperimenten och en beräkning visade att detta konstiga utfall var precis vad kvantmekaniken förutsade. Naturen vägrade nämligen att avslöja om det var en våg eller partikel ty båda var möjliga. Det verkade länge som förgjort att fånga en enskild foton – det blev en våg eller något obestämt. Men till slut lyckades en fransk forskargrupp 1986 överlista självaste kvantdemonen.
Lösningen låg i att utnyttja en atom som samtidigt avger två fotoner i stället för en (se bilden). Genom att utnyttja den ena fotonen som mätobjekt och den andra för att trigga mätutrustningen kunde ett experiment genomföras som alltid gav registreringar i den ena eller den andra detektorn. Och så var fotonen infångad.
2012 års Nobelpristagare Serge Haroche visade nyligen att en foton går att isoleras, detekteras (registreras) utan att den blir förstörd. Dess fart gick att minska till nära noll så att ljuset står ”still”.
Lika fullt är inte fotoner ljusets atomer utan ett begrepp som vi inte kan förstå helt och hållet eftersom vår värld bara är en grovt storskalig betraktelse av den verkliga tillvaron: kvantvärlden. Vad vi kan säga är att ljus avges då en atom genom en störning övergår till ett annat tillstånd och överskottsenergin blir just ljus. Låt oss avsluta med lite kvantmystik med att citera Abraham Pais, som Einstein antagligen uppfattade som sin andliga son: ”Hur bra var kvantmekanikens förutsägelser? … den kan inte förutsäga när en atom genomgår en övergång till grundtillståndet genom emittering av en foton. Var befann sig fotonen innan tiden för övergången? Den fanns ingenstans! Den skapades genom transitionsakten!”
Här finns djupa existentiella frågor som saknar svar. Kanske är det lika bra?