https://madrid.hostmaster.org/articles/light_energy_information_life/nl.html
Weinig concepten hebben door de geschiedenis heen zo’n grote symbolische betekenis gedragen als licht. Lang voordat we de golflengte konden meten of de energie ervan konden berekenen, voelden mensen aan dat licht meer was dan een fysiek fenomeen – het was een metafoor voor het leven zelf.
In de Hebreeuwse Bijbel begint de schepping met de woorden: “Laat er licht zijn.” In de Koran wordt God beschreven als “het Licht van de hemelen en de aarde”. In het boeddhisme is verlichting de staat van ontwaken tot de waarheid. In verschillende tradities is licht de manifestatie van goddelijkheid, zuiverheid en wijsheid. Duisternis daarentegen staat voor onwetendheid, kwaad of chaos.
Onze talen bewaren deze metaforen. We “werpen licht” op een probleem, “zien het licht” wanneer we iets begrijpen, en noemen iemand “briljant” als ze inspireren. Kennis is het licht dat de schaduwen van onwetendheid verdrijft.
Lang voordat hedendaagse religies ontstonden, vierden culturen over de hele wereld de winterzonnewende – de kortste dag, wanneer de duisternis zijn hoogtepunt bereikt en het licht begint terug te keren. Voor vroege samenlevingen, afhankelijk van de zon voor warmte en oogst, was de zonnewende een keerpunt van overleving en hoop. Vuren, feesten en rituelen vierden de wedergeboorte van licht. Deze traditie werd later in het christendom verweven als Kerstmis, maar de diepere symboliek blijft: de vernieuwing van het leven door de terugkeer van de zon. Zelfs vandaag herinneren zonnewendevieringen ons aan de centrale plaats van licht in de menselijke cultuur.
Licht is voor ons dus altijd meer geweest dan fotonen: het is energie, informatie en leven – zowel in materiële als spirituele zin.
Na millennia met zijn metaforen te hebben geleefd, wendde de mensheid zich tot de wetenschap om te vragen: waar is licht eigenlijk van gemaakt?
Een foton kan worden gezien als een microscopische antenne of een resonerend circuit bestaande uit inductantie en capaciteit – maar zonder fysieke onderdelen. Het bestaat en verplaatst zich door elektrische energie continu om te zetten in magnetische energie en weer terug, een zelfonderhoudende oscillatie die licht in staat stelt door de ruimte te reizen.
Toch zijn fotonen niet beperkt tot de smalle band van kleuren die zichtbaar zijn voor onze ogen. Ze bestrijken een enorm bereik, van radiogolven langer dan wolkenkrabbers tot gammastralen kleiner dan een atoomkern. Over dit spectrum heen vormen ze het universum, ondersteunen ze het leven en drijven ze de menselijke beschaving aan.
Elk foton kan op drie onderling verbonden manieren worden beschreven:
Deze zijn met elkaar verbonden door de lichtsnelheid: c = λν. Langere golflengten betekenen een lagere frequentie en minder energie, terwijl kortere golflengten een hogere frequentie en meer energie met zich meebrengen. Het bereik is verbluffend:
Dit spectrum laat zien hoe hetzelfde quantum – het foton – zich op verschillende schalen anders uitdrukt.
Verschillende fysieke processen geven aanleiding tot verschillende gebieden van het spectrum:
Op deze manier ontstaan fotonen uit antennes, atomen en kernen, en verbinden ze het fysieke universum.
Omdat de energie van een foton evenredig is aan de frequentie (E = hν), hebben radiofrequentie-fotonen extreem weinig energie – biljoenen keren minder dan zichtbare of gammafotonen. Hierdoor zenden antennes geen fotonen een voor een uit op een manier die gemakkelijk te detecteren is. In plaats daarvan laten ze enorme aantallen fotonen tegelijkertijd los.
Een enkele uitzendingsantenne kan in de orde van 10²⁰ tot 10²⁵ radiofotonen per seconde uitzenden. Voor elke ontvanger – of voor onze intuïtie – lijkt dit een vloeiende, continue golf. De kwantisering is er nog steeds, maar is verborgen onder de enorme overvloed.
Daarentegen dragen hoogenergetische fotonen zoals ultraviolet, röntgen- en gammastralen voldoende energie per stuk om individueel te worden gedetecteerd. Hun deeltjesachtige aard is duidelijk, daarom richtte Einsteins verklaring van het foto-elektrisch effect zich op ultraviolet licht, niet op radio.
Dit verschil in waarneming is een van de redenen waarom het golf-deeltjesdebat zo lang voortduurde.
Ons begrip van fotonen is door eeuwen van debat en ontdekking geëvolueerd.
Feynman ontdekte de fotonen niet, maar hij gaf ons het meest complete en nauwkeurige begrip ervan, waarbij hij eeuwen van tegenstrijdige theorieën verenigde in één samenhangend kader.
Naast frequentie dragen fotonen een andere eigenschap: polarisatie.
Omdat het elektrische veld van een foton altijd loodrecht op zijn voortbewegingsrichting moet oscilleren, kan het in elke hoek binnen dat transversale vlak worden georiënteerd. Stel je een foton voor dat voorwaarts beweegt: zijn veld kan verticaal, horizontaal of ergens daartussenin oscilleren. Dit is polarisatie.
Een van de meest bekende gevolgen van polarisatie is schittering. Wanneer licht reflecteert van een vlak, horizontaal oppervlak zoals water, glas of nat asfalt, zijn de gereflecteerde fotonen niet willekeurig georiënteerd. De fysica van reflectie bevoordeelt horizontaal gepolariseerd licht, omdat elektronen in het oppervlak de elektrische veldcomponent die langs het vlak ligt efficiënter opnieuw uitstralen.
Daarom werken gepolariseerde zonnebrillen zo goed: ze bevatten een verticale polarisator die horizontaal gepolariseerde fotonen blokkeert terwijl verticale worden doorgelaten. Hierdoor wordt schittering van wegen, meren en voorruiten sterk verminderd.
In de beginjaren van de auto onderzochten ingenieurs zelfs een groter idee: wat als polarisatie in de auto’s zelf kon worden ingebouwd? Het voorstel was om alle koplampen verticaal te polariseren, terwijl alle voorruiten werden uitgerust met horizontale polarisatoren. Het resultaat zou zijn dat koplampen van tegenliggers automatisch zouden worden uitgefilterd, waardoor bestuurders tegen schittering werden beschermd. Het concept was slim en elegant, maar te kostbaar voor massaproductie in die tijd. Het idee werd verlaten – waardoor zonnebrillen de praktischere oplossing bleven voor hetzelfde probleem.
Polarisatie kan ook exotischer zijn. Als het elektrische veld van een foton zowel verticale als horizontale componenten heeft, en deze componenten een kwart cyclus uit fase oscilleren, is het resultaat circulaire polarisatie. Het veld zwaait niet langer heen en weer langs een enkele lijn, maar volgt een spiraal, draaiend rond de bewegingsas – een continue zijwaartse dans in plaats van een eenvoudige oscillatie.
De analogie met een dipoolantenne blijft overeind: net zoals een dipoolantenne blinde vlekken heeft langs zijn as, richten fotonen hun elektrische veld nooit langs hun pad. Ze blijven transversaal, altijd draaiend rond hun bewegingsrichting.
Op kwantumniveau worden fotonen uitgezonden in plotselinge sprongen.
Opgewekte toestanden kunnen nanoseconden of uren aanhouden, afhankelijk van het systeem, maar wanneer emissie plaatsvindt, is het ogenblikkelijk – een echte kwantumsprong, zonder tussenstaat en zonder gedeeltelijk foton.
Dit is het universele mechanisme waardoor fotonen ontstaan.
Een van de grootste triomfen van de mensheid in het benutten van fotonen is de laser.
Een laser begint met een reservoir van atomen die in opgewekte toestanden worden gehouden. Deze populatie-inversie wordt gecreëerd door energie in het medium te pompen – met een elektrische ontlading, een andere laser of een chemische reactie.
De opgewekte atomen zijn gevangen tussen twee spiegels: een volledig reflecterende en een gedeeltelijk transparante. De afstand tussen de spiegels is afgestemd op de golflengte van het foton. Alleen resonante fotonen overleven herhaalde reflecties; de rest heffen elkaar op.
In het begin zijn emissies willekeurig. Dan wordt één foton spontaan uitgezonden langs de as van de holte. Dit foton wordt de piloot, zoals de leidende vonk van een bliksemschicht. Zijn elektrische veld bepaalt de oriëntatie en fase voor alle daaropvolgende gestimuleerde emissies. Naburige atomen laten fotonen los die exacte kopieën zijn – dezelfde frequentie, dezelfde fase, dezelfde polarisatie.
Terwijl de piloot zich vermenigvuldigt, kaatsen fotonen heen en weer, elkaar versterkend. Wanneer de intensiteit hoog genoeg is, ontsnapt een stroom door de semi-transparante spiegel.
Het resultaat is laserlicht:
In tegenstelling tot het gemengde, willekeurige licht van een lamp, is een laser een gedisciplineerd leger van fotonen dat in de pas marcheert.
Fotonen zijn niet alleen natuurkundige curiositeiten – ze vormen de basis van het universum.
Elke ademhaling van zuurstof, elke maaltijd, elk telefoongesprek, elke e-mail is afhankelijk van fotonen.
Fotonen zijn de quanta van het elektromagnetische veld, die een spectrum beslaan dat sterren aandrijft, leven ondersteunt en technologie mogelijk maakt. Ze hebben generaties wetenschappers verbijsterd omdat ze zich niet lieten vangen in de categorieën van golf of deeltje.
Het verhaal van fotonen begon met Newtons deeltjes en Huygens’ golven, groeide met Maxwells vergelijkingen, werd aangescherpt door Einsteins foto-elektrisch effect en vond zijn duidelijkste uitdrukking in Richard Feynmans polshorloge-analogie en de wiskunde van QED.
Van onderzeese signalen tot gammastraaluitbarstingen, van antennes tot atomen en kernen, van zonnebrillen tot lasers, fotonen zijn overal. En door Feynmans inzicht zien we ze eindelijk duidelijk – niet alleen als golven of deeltjes, maar als de universele quanta van licht.