Како је Ајнштајново разумевање светлости заувек променило технологију

Инжењер узима блиц за фото-апарат, усмерава га ка малој матичној плочи рачунара на столу и пали га. Светлост је у делићу секунде испунила просторију. Сви су трепнули и видели да се рачунар покварио.

Тим британске технолошке компаније Распберри Пи управо је потврдио да њихов производ, јефтин једнополни рачунар намењен подучавању рачунарства и љубитељима електронике, не подноси да буде фотографисан.

Барем не када се користи велики ксенонски блиц.

„Свима је било забавно док смо га кварили&qуот;, присећа се Ебен Аптон, оснивач компаније.

Схватили су да је чип на рачунару осетљив на фотоелектрични ефекат - емисију електрона из метала под дејством светлости.

То је, сликовито речено, нека врста обрнутог „прекидача за светло&qуот;.

Аптон и његове колеге нису очекивали да ће се појавити овај проблем.

Открио га је корисник модела Распберри Пи 2 мање од недељу дана пошто се уређај појавио у продаји почетком 2015.

У каснијим верзијама рачунара, на проблематични чип је наношен довољно дебео слој црног премаза да може да упије долазну светлост.

Више од века раније, Алберт Ајнштајн је описао фотоелектрични ефекат у његовом револуционарном раду - у једном од четири знаменита научна рада које је објавио 1905, док је радио као службеник у швајцарском Заводу за патенте.

Касније, 1921. је за то откриће добио Нобелову награду за физику.

Касније је фотоелектрични ефекат обликовао многе технологије - од алармних система, преко соларних панела, па све до камера у паметним телефоним.

• Ко је изумео авион? Зависи кога питате
• Тајна ДНК паукова пауна могла би да објасни начин на који се развијају нове врсте
• Шта су 'Посејдонове лоптице' које се појављују на обалама Средоземног мора

'Чудни феномени'

Да бисмо боље разумели ову појаву, вратимо се на питање које је мучило Ајнштајна још 1905: од чега се састоји светлост?

У то време многи научници су тврдили да светлост постоји искључиво као талас, за који су неки веровали да путује коз универзум у неопипљивом „светлосном етру&qуот;.

Али, Ајнштајну се то чинило бесмисленим - „као Деда Мраз&qуот;, каже Стив Гимбел са Колеџа у Гетисбургу у Сједињеним Државама (САД).

Научници, међу којима и немачки физичар Хајнрих Рудолг Херц, већ су изводили огледе са фотоелектричним ефектом користећи светлост за генерисање ситних варница или електричног набоја комадића танког метала, што је узроковало њихово међусобно одбијање.

„Постојале су те чудне, необјашњене појаве када светлост ствара електрицитет, и то је људима било невероватно - деловало је потпуно бесмислено&qуот;, каже Гимбел.

Најчудније је било то што интензитет светлости није утицао на енергију ослобођених електрона, већ је утицала таласна дужина, односно боја светлости.

То је било запањујуће.

Више светлости би ваљда требало да значи више енергије, зар не?

Међутим, Ајнштајн је схватио да ако светлост није само талас, већ низ дискретних честица (које ће касније добити назив фотони) које се простиру у таласима, онда би то могла да објасни енергија тих појединачних честица.

„Када фотон удари у електрон, он [електрон] се побуђује&qуот;, објашњава Пол Дејвис са Универзитета у Јорку, у Енглеској.

Ако фотон притом носи довољно енергије при додиру са површином, долази до фотоелектричног ефекта – електрон се ослобађа из материјала.

Замислите то као убацивање малих штапића динамита у отворену цев пуну топовских ђулади.

Мала експлозија неће бити довољна да избије ниједно ђуле, без обзира на број покушаја.

Али ако користите јачи динамит који има више енергије, онда ће ђулад да полете.

Енергија фотона непосредно зависи од боје видљиве светлости – фотони у плавом светлу имају краћу таласну дужину и већу енергију од на пример, оних у црвеном светлу.

Зато је током једног од његових експеримената Херц открио да посебно енергетски јака ултраљубичаста светлост производи јаче варнице.

Сирене за маглу и фотонапонске ћелије

Гимбел наглашава да Ајнштајн ову теорију није измислио ни из чега.

Ослањао се на радове не само Херца и других, већ и на квантну теорију немачког физичара Макса Планка – да се зрачење, и које спада и светлост, састоји од фотона, пакета или кванта енергије.

Планк је за квантну теорију добио Нобелову награду за физику 1918.

Али 1905. године, овај концепт је и даље био споран.

„Ајнштајн је имао револуционарни ум, спреман да разматра другачије приступе&qуот;, каже Гимбел.

„Он је озбиљно узео у обзир могућност да светлост може да се простире у квантима&qуот;.

Ајнштанов рад је био контроверзан, посебно теорија релативности.

Неки чланови Нобеловог комитета за физику у то време су се двоумили да ли да му доделе награду, а када су одлучили да то учине, добио је награду за истраживање фотоелектричног ефекта, а не за теорију релативности.

Научници су дуго расправљали да ли је то била исправна одлука, али данас је јасно да је употреба фотоелектричног ефекта променила наш свет, јер је основа за многе данашње технологије.

Сензори покрета у противпровалним алармним системима, на пример, емитују сноп инфрацрвене светлости.

Када тај сноп прекине уљез, количина светлости коју сензор прима се мења, чиме се мења и електрична струја и тада се пали аларм.

На циљним линијама трка на Олимпијским играма користе се фотонапонске ћелије за прецизно бележење тернутка пролаза тркача кроз циљ.

Ова технологија омогућила је бродовима откривање магле и аутоматско укључење сирена за маглу.

Такође је омогућила да се у аутомобилима брисачи сами активирају када почне киша.

У строгом смислу, фотоелектрични ефекат се односи на појава емисије електрона из метала под дејством светлост, али Пол Дејвис каже да је то блиско повезано са фотонапонским ефектом, где кретање електрона омогућава проток електричне струје кроз суседне материјале.

Управо то раде соларне ћелије у соларним панелима када енергије сунчевог зрачења (светлости) претварају у електричну енергију, доприносећи чистој, обновљивој енергији у електродистрибутивним мрежама и борби против климатских промена.

Силицијумски сензори

Још једна популарна примена фотоелектричног ефекта су сензори слике у камерама, део дигиталне камере који је осетљив на светслост који снима фотографије.

Скоро све користе технологију комплементарног метал-оксидног полупроводника (ЦМОС), која је усавршена у америчкој свемирској агенцији НАСА-и 1990-их за употребу у свемиру, а касније је уграђена у милијарде паметних телефона.

„ЦМОС сензор слике био је савршен уређај за то.

„Испоставило се да је то била убиствена примена&qуот;, каже инжењер Ерик Фосум, који је радио на пројекту.

Силицијум је кључни материјал који се користи у ЦМОС сензорима, а Фосум, који је сада на Колеџу Дармуту у САД-у, истиче да фотоелектрични ефекат у силицијуму изазива многе боје светлости.

„Није важно да ли је светло зелено, црвено или плаво - фотон ослобађа тачно један електрон.

„Имамо среће што је баш тако&qуот;.

То је од велике помоћи када желите да ухватите боју објекта или субјекта који фотографишете.

Фосум и његове колеге сада раде на сензорима слике који су осетљиви на најмању могућу количину светлости - фотон.

Ови уређаји, познати и као бројачи појединачних фотона, већ се користе у лабораторијским експериментима, али могли би да имају револуционарну улогу у технологији дигиталног снимања, на пример за побољшање квалитета слике медицинских ЦТ скенера, уз мању излагање пацијената зрачењу.

Постоји још много могућих примена.

„Ова нова технологија ће нам омогућити да видимо у мраку&qуот;, каже Фосум.

Још једна научница која ради на уређајима заснованим на фотоелектричном ефекту је Димитра Георгијаду са Универзитета у Саутемптону у Енглеској.

Она и њене колеге развијају технологије које могу да открију светлост и обраде информације о њој без слања података на анализу централном рачунару.

„То значајно смањује потребну количину енергије&qуот;, каже она.

Ове технологије би могле да помогну истраживачима да развију високо напредно бионичко око које слепима враћа вид, јер ће омогућити израду мањих, лакшиих и енергетски ефикаснијих уређаја за уградњу.

Такође би могле да омогуће аутономним возилима да брже доносе одлуке о томе када је потребно да коче из безбедносних разлога.

Месечев сјај

Технологија за откривање светлости којом се бави Георгијаду не заснива се на силицијуму, већ на органским материјалима који садрже угљеник.

Они могу да се подешавају тако да реагују само на одређене боје светлости, а притом могу да се одштампају на флексибилним подлогама.

Ова технологија би могла да се користити у носивим, нискоенергетским сензорима светлост који могу да прате откуцаје срца и ниво кисеоника у крви, на пример, превремено рођених беба, емитовањем мале количине светлости кроз кожу и вене.

Од када је Ајнштајн 1905. записао његову теорију о фотоелектричном ефекту, нашли смо заиста много сјаних начина да је у пракси применимо.

Али ту није крај.

Разумевање ове невероватне интеракције светлости и материје открило нам је и неке необичне појединости о начину на који функционише универзум.

Неки од првих летелица које су слетеле на Месец 1960-их снимиле су хоризонт Месеца и примећено је нешто чудно: необичан сјај, готово као бледо светло заласка сунца.

Али Месец нема атмосферу као Земља, а управо расипање светлости на честице у нашој атмосфери је оно што ствара зоре и заласке сунца док се планета окреће око своје осе.

Како се створио тај месечев сјај?

Испоставило се да сунчева светлост пада на прашину на површини Месеца и, захваљујући фотоелектричном ефекту даје јој позитивно наелектрисање.

Те ситне честице прашине су се међусобно одбијале, повремено лебдећи изнад површине Месеца.

Док су то чиниле, хватале су светлост тек зашлог Сунца и тако се створио тај чаробни сјај.

Овај текст је написан у сарадњи Нобел Призе Оутреацх, организације која шири знање о постигнућима која су завредила Нобелову награду, и ББЦ-ја.

ББЦ на српском је од сада и на Јутјубу, пратите нас ОВДЕ.

Пратите нас на Фејсбуку, Твитеру, Инстаграму и Вајберу. Ако имате предлог теме за нас, јавите се на ббцнасрпском@ббц.цо.ук

• Шта се дешава током пуног Месеца и зашто утиче на нас
• Кад је Шибеник био светски енергетски пионир
• Зашто ванземаљци вероватно постоје, али нас неће посетити у скорије време
• Могу ли пацови који су научили да 'возе ауто' да помогну да будемо срећнији
• Ко су била деца Алберта Ајнштајна и шта је било с њима

(ББЦ Невс, 09.22.2025)