Kako je Ajnštajnovo razumevanje svetlosti zauvek promenilo tehnologiju

Inženjer uzima blic za foto-aparat, usmerava ga ka maloj matičnoj ploči računara na stolu i pali ga. Svetlost je u deliću sekunde ispunila prostoriju. Svi su trepnuli i videli da se računar pokvario.

Tim britanske tehnološke kompanije Raspberry Pi upravo je potvrdio da njihov proizvod, jeftin jednopolni računar namenjen podučavanju računarstva i ljubiteljima elektronike, ne podnosi da bude fotografisan.

Barem ne kada se koristi veliki ksenonski blic.

„Svima je bilo zabavno dok smo ga kvarili“, priseća se Eben Apton, osnivač kompanije.

Shvatili su da je čip na računaru osetljiv na fotoelektrični efekat – emisiju elektrona iz metala pod dejstvom svetlosti.

To je, slikovito rečeno, neka vrsta obrnutog „prekidača za svetlo“.

Apton i njegove kolege nisu očekivali da će se pojaviti ovaj problem.

Otkrio ga je korisnik modela Raspberry Pi 2 manje od nedelju dana pošto se uređaj pojavio u prodaji početkom 2015.

U kasnijim verzijama računara, na problematični čip je nanošen dovoljno debeo sloj crnog premaza da može da upije dolaznu svetlost.

Više od veka ranije, Albert Ajnštajn je opisao fotoelektrični efekat u njegovom revolucionarnom radu – u jednom od četiri znamenita naučna rada koje je objavio 1905, dok je radio kao službenik u švajcarskom Zavodu za patente.

Kasnije, 1921. je za to otkriće dobio Nobelovu nagradu za fiziku.

Kasnije je fotoelektrični efekat oblikovao mnoge tehnologije – od alarmnih sistema, preko solarnih panela, pa sve do kamera u pametnim telefonim.

• Ko je izumeo avion? Zavisi koga pitate

• Tajna DNK paukova pauna mogla bi da objasni način na koji se razvijaju nove vrste

• Šta su ‘Posejdonove loptice’ koje se pojavljuju na obalama Sredozemnog mora

‘Čudni fenomeni’

Da bismo bolje razumeli ovu pojavu, vratimo se na pitanje koje je mučilo Ajnštajna još 1905: od čega se sastoji svetlost?

U to vreme mnogi naučnici su tvrdili da svetlost postoji isključivo kao talas, za koji su neki verovali da putuje koz univerzum u neopipljivom „svetlosnom etru“.

Ali, Ajnštajnu se to činilo besmislenim – „kao Deda Mraz“, kaže Stiv Gimbel sa Koledža u Getisburgu u Sjedinjenim Državama (SAD).

Naučnici, među kojima i nemački fizičar Hajnrih Rudolg Herc, već su izvodili oglede sa fotoelektričnim efektom koristeći svetlost za generisanje sitnih varnica ili električnog naboja komadića tankog metala, što je uzrokovalo njihovo međusobno odbijanje.

„Postojale su te čudne, neobjašnjene pojave kada svetlost stvara elektricitet, i to je ljudima bilo neverovatno – delovalo je potpuno besmisleno“, kaže Gimbel.

U elektromagnetnom spektru, vidljiva svetlost se nalazi između infracrvenog i ultraljubičastog zračenja

Najčudnije je bilo to što intenzitet svetlosti nije uticao na energiju oslobođenih elektrona, već je uticala talasna dužina, odnosno boja svetlosti.

To je bilo zapanjujuće.

Više svetlosti bi valjda trebalo da znači više energije, zar ne?

Međutim, Ajnštajn je shvatio da ako svetlost nije samo talas, već niz diskretnih čestica (koje će kasnije dobiti naziv fotoni) koje se prostiru u talasima, onda bi to mogla da objasni energija tih pojedinačnih čestica.

„Kada foton udari u elektron, on [elektron] se pobuđuje“, objašnjava Pol Dejvis sa Univerziteta u Jorku, u Engleskoj.

Ako foton pritom nosi dovoljno energije pri dodiru sa površinom, dolazi do fotoelektričnog efekta – elektron se oslobađa iz materijala.

Zamislite to kao ubacivanje malih štapića dinamita u otvorenu cev punu topovskih đuladi.

Mala eksplozija neće biti dovoljna da izbije nijedno đule, bez obzira na broj pokušaja.

Ali ako koristite jači dinamit koji ima više energije, onda će đulad da polete.

Energija fotona neposredno zavisi od boje vidljive svetlosti – fotoni u plavom svetlu imaju kraću talasnu dužinu i veću energiju od na primer, onih u crvenom svetlu.

Zato je tokom jednog od njegovih eksperimenata Herc otkrio da posebno energetski jaka ultraljubičasta svetlost proizvodi jače varnice.

Sirene za maglu i fotonaponske ćelije

Gimbel naglašava da Ajnštajn ovu teoriju nije izmislio ni iz čega.

Oslanjao se na radove ne samo Herca i drugih, već i na kvantnu teoriju nemačkog fizičara Maksa Planka – da se zračenje, i koje spada i svetlost, sastoji od fotona, paketa ili kvanta energije.

Plank je za kvantnu teoriju dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1918.

Ali 1905. godine, ovaj koncept je i dalje bio sporan.

„Ajnštajn je imao revolucionarni um, spreman da razmatra drugačije pristupe“, kaže Gimbel.

„On je ozbiljno uzeo u obzir mogućnost da svetlost može da se prostire u kvantima“.

Maks Plank je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1918. godine

Ajnštanov rad je bio kontroverzan, posebno teorija relativnosti.

Neki članovi Nobelovog komiteta za fiziku u to vreme su se dvoumili da li da mu dodele nagradu, a kada su odlučili da to učine, dobio je nagradu za istraživanje fotoelektričnog efekta, a ne za teoriju relativnosti.

Naučnici su dugo raspravljali da li je to bila ispravna odluka, ali danas je jasno da je upotreba fotoelektričnog efekta promenila naš svet, jer je osnova za mnoge današnje tehnologije.

Senzori pokreta u protivprovalnim alarmnim sistemima, na primer, emituju snop infracrvene svetlosti.

Kada taj snop prekine uljez, količina svetlosti koju senzor prima se menja, čime se menja i električna struja i tada se pali alarm.

Tehnologije poput foto i senzora za sliku oslanjaju se na fotoelektrični efekat

Na ciljnim linijama trka na Olimpijskim igrama koriste se fotonaponske ćelije za precizno beleženje ternutka prolaza trkača kroz cilj.

Ova tehnologija omogućila je brodovima otkrivanje magle i automatsko uključenje sirena za maglu.

Takođe je omogućila da se u automobilima brisači sami aktiviraju kada počne kiša.

U strogom smislu, fotoelektrični efekat se odnosi na pojava emisije elektrona iz metala pod dejstvom svetlost, ali Pol Dejvis kaže da je to blisko povezano sa fotonaponskim efektom, gde kretanje elektrona omogućava protok električne struje kroz susedne materijale.

Upravo to rade solarne ćelije u solarnim panelima kada energije sunčevog zračenja (svetlosti) pretvaraju u električnu energiju, doprinoseći čistoj, obnovljivoj energiji u elektrodistributivnim mrežama i borbi protiv klimatskih promena.

Silicijumski senzori

Još jedna popularna primena fotoelektričnog efekta su senzori slike u kamerama, deo digitalne kamere koji je osetljiv na svetslost koji snima fotografije.

Skoro sve koriste tehnologiju komplementarnog metal-oksidnog poluprovodnika (CMOS), koja je usavršena u američkoj svemirskoj agenciji NASA-i 1990-ih za upotrebu u svemiru, a kasnije je ugrađena u milijarde pametnih telefona.

„CMOS senzor slike bio je savršen uređaj za to.

„Ispostavilo se da je to bila ubistvena primena“, kaže inženjer Erik Fosum, koji je radio na projektu.

Silicijum je ključni materijal koji se koristi u CMOS senzorima, a Fosum, koji je sada na Koledžu Darmutu u SAD-u, ističe da fotoelektrični efekat u silicijumu izaziva mnoge boje svetlosti.

„Nije važno da li je svetlo zeleno, crveno ili plavo – foton oslobađa tačno jedan elektron.

„Imamo sreće što je baš tako“.

To je od velike pomoći kada želite da uhvatite boju objekta ili subjekta koji fotografišete.

Većina kamera pametnih telefona koristi CMOS senzore

Fosum i njegove kolege sada rade na senzorima slike koji su osetljivi na najmanju moguću količinu svetlosti – foton.

Ovi uređaji, poznati i kao brojači pojedinačnih fotona, već se koriste u laboratorijskim eksperimentima, ali mogli bi da imaju revolucionarnu ulogu u tehnologiji digitalnog snimanja, na primer za poboljšanje kvaliteta slike medicinskih CT skenera, uz manju izlaganje pacijenata zračenju.

Postoji još mnogo mogućih primena.

„Ova nova tehnologija će nam omogućiti da vidimo u mraku“, kaže Fosum.

Još jedna naučnica koja radi na uređajima zasnovanim na fotoelektričnom efektu je Dimitra Georgijadu sa Univerziteta u Sautemptonu u Engleskoj.

Ona i njene kolege razvijaju tehnologije koje mogu da otkriju svetlost i obrade informacije o njoj bez slanja podataka na analizu centralnom računaru.

„To značajno smanjuje potrebnu količinu energije“, kaže ona.

Ove tehnologije bi mogle da pomognu istraživačima da razviju visoko napredno bioničko oko koje slepima vraća vid, jer će omogućiti izradu manjih, lakšiih i energetski efikasnijih uređaja za ugradnju.

Takođe bi mogle da omoguće autonomnim vozilima da brže donose odluke o tome kada je potrebno da koče iz bezbednosnih razloga.

Mesečev sjaj

Tehnologija za otkrivanje svetlosti kojom se bavi Georgijadu ne zasniva se na silicijumu, već na organskim materijalima koji sadrže ugljenik.

Oni mogu da se podešavaju tako da reaguju samo na određene boje svetlosti, a pritom mogu da se odštampaju na fleksibilnim podlogama.

Ova tehnologija bi mogla da se koristiti u nosivim, niskoenergetskim senzorima svetlost koji mogu da prate otkucaje srca i nivo kiseonika u krvi, na primer, prevremeno rođenih beba, emitovanjem male količine svetlosti kroz kožu i vene.

Od kada je Ajnštajn 1905. zapisao njegovu teoriju o fotoelektričnom efektu, našli smo zaista mnogo sjanih načina da je u praksi primenimo.

Ali tu nije kraj.

Razumevanje ove neverovatne interakcije svetlosti i materije otkrilo nam je i neke neobične pojedinosti o načinu na koji funkcioniše univerzum.

Neki od prvih letelica koje su sletele na Mesec 1960-ih snimile su horizont Meseca i primećeno je nešto čudno: neobičan sjaj, gotovo kao bledo svetlo zalaska sunca.

Ali Mesec nema atmosferu kao Zemlja, a upravo rasipanje svetlosti na čestice u našoj atmosferi je ono što stvara zore i zalaske sunca dok se planeta okreće oko svoje ose.

Kako se stvorio taj mesečev sjaj?

Ispostavilo se da sunčeva svetlost pada na prašinu na površini Meseca i, zahvaljujući fotoelektričnom efektu daje joj pozitivno naelektrisanje.

Te sitne čestice prašine su se međusobno odbijale, povremeno lebdeći iznad površine Meseca.

Dok su to činile, hvatale su svetlost tek zašlog Sunca i tako se stvorio taj čarobni sjaj.

Ovaj tekst je napisan u saradnji Nobel Prize Outreach, organizacije koja širi znanje o postignućima koja su zavredila Nobelovu nagradu, i BBC-ja.