Světlo není jen něco, co vidíme. Je základním palivem pro život na Zemi a jedním z hlavních pilířů moderní fyziky. Ale je to světlo, díky kterému funguje skener čárových kódů v supermarketu, umožňuje DVD a umožňuje pořizovat fotografie. Na počest Mezinárodního roku světla bychom se měli podívat na extrémní projevy tohoto fenoménu. Jak jasný může být nejjasnější objekt ve vesmíru? Jak krátký může být nejkratší záblesk, jaký jsme kdy vytvořili?
Účel letošního vzpomínkového roku je jednoduchý: připomenout lidem, že světlo je nezbytné. On utváří náš vesmír. Umožňuje biologii. Pohání kulturu.
Ale pojďme se bavit o rekordech. Čísla jsou úžasná.
Femtosekundy a molekuly
Nejkratší umělý světelný puls, jaký byl kdy vytvořen, trvá pouhé miliardtiny miliardtiny sekundy. Toto je femtosekunda.
Takové pulsy jsou emitovány laserem. Nejsou jen rychlé. Jsou funkční. Vědci je používají jako závěrku vysokorychlostní kamery.
Co nahrávají?
Pohyb molekul. Tanec elektronů.
K těmto pohybům dochází u běžných kamer příliš rychle. Femtosekundový puls je „zmrazí“. To umožňuje výzkumníkům pozorovat chemické reakce v reálném čase. Takto vidíme, jak se stavební kameny hmoty posouvají.
Jak je to ve srovnání s přirozenými zdroji světla?
Ve vesmíru jsou objekty, které září jasněji. hvězdy. Galaxie. Ale hoří roky nebo miliony let. Tento umělý záblesk skončí rychleji, než stačíte mrknout.
Proč je to důležité?
Protože pokud nevidíte proces, nemůžete mu porozumět. Tyto záblesky používáme k mapování reakcí na atomové úrovni. Tyto znalosti vedou k vytvoření účinnějších baterií. Pomáhají vyvíjet nové léky. Mění přístup k tvorbě materiálů.
Existuje nějaké omezení, jak krátký může být puls?
Možná. Šampionem v krátkosti ale zatím zůstává femtosekundový puls. Toto je nejrychlejší přepínač, který máme.
A tak nejjasnější zdroj zůstává otázkou pro astronomy. Slunce je pro nás jasné. Ale tam, v hluboké tmě, jsou jiné zdroje světla bilionkrát jasnější než ona.
Známe nejkratší záblesk. Stále studujeme nejjasnější zdroj. Obě skutečnosti nám připomínají, že světlo není pasivní. Je aktivní. Je mocný. Je rychlý.
Bleskurychlá reakce řas
Třicet mikrosekund. Přesně to potřebuje Chlamydomonas, běžná zelená řasa, aby reagovala na světlo.
Porovnejte to s lidským okem. Ve srovnání s ní jsme nemotorní. Naše vize se opírá o řetězec chemických reakcí, jejichž dokončení trvá milisekundy – příliš pomalé pro strategii přežití řas. Chlamydomonas nepoužívá složitou sítnici. Využívá jedinou světlocitlivou molekulu uloženou v její membráně.
Když fotony narazí na tuto molekulu, nečeká na kaskádu signálů. Přímo otevře kanál. Pozitivně nabité ionty spěchají dovnitř. Buňka se okamžitě depolarizuje. Tento elektrochemický šok způsobí, že organismus rychle změní směr plavání a pomůže mu tak najít optimální světelné podmínky pro fotosyntézu nebo se vyhnout škodlivým ultrafialovým zábleskům.
Jedná se o elegantní řešení. Žádný mozek. Žádné nervy. Prostě fyzika a biologie pracující rychlostí elektřiny.
Osmiminutové zpoždění slunce
Zatímco řasy reagují v mikrosekundách, my čekáme na Slunce.
Je uklidňující myšlenka, že vidíme Slunce takové, jaké je nyní. Ale to není pravda. Světlo se šíří rychlostí přibližně 300 000 kilometrů za sekundu. Toto je univerzální rychlostní limit. Země však obíhá kolem Slunce v průměrné vzdálenosti 149,6 milionů kilometrů.
Složte to.
Světlu trvá asi 8 minut a 20 sekund, než překročí tuto prázdnotu. Když se podíváte na denní oblohu, díváte se do minulosti. Vidíte Slunce, jaké bylo před osmi minutami.
Toto zpoždění je důležité nejen jako astronomická kuriozita. Ovlivňuje to, jak chápeme sluneční jevy. Kdyby Slunce náhle zhaslo, nevěděli bychom o tom déle než osm minut. Stále bychom cítili jeho teplo (díky infračervenému záření a atmosférické vodivosti) a viděli jeho světlo. Ale zdroj by už neexistoval.
Při vesmírné navigaci je toto zpoždění konstantní proměnnou. Příkazy zaslané marsovským roverům musí brát v úvahu dobu, kterou světlo potřebuje k cestování mezi planetami. Čím dále, tím déle musíte čekat na odpověď. Toto je připomínka, že komunikace „v reálném čase“ je místní iluze.
Nejstarší světlo ve vesmíru
Pokud se vám osm minut zdá jako věčnost, představte si 13,2 miliardy let.
V roce 2011 zahlédl Hubbleův vesmírný dalekohled galaxii s názvem UDFj-39546284. Fotony, které zasáhly HST senzory, putovaly krátce po velkém třesku. Byly emitovány, když byl vesmír mladší než 600 milionů let.
Toto světlo je starší než Země. Starší než Slunce. Starší než sluneční soustava.
Najít nejstarší světlo viditelné pro člověka není jen otázkou věku. Toto je pohled zpět do kosmického úsvitu. Tyto galaxie byly mezi prvními, které se vznítily a ionizovaly temné věky vesmíru. Světlo, které nyní detekujeme, bylo nataženo nebo posunuto do rudého posuvu v důsledku expanze samotného prostoru. Vlnové délky se táhly z viditelného nebo ultrafialového světla do infračerveného spektra, takže HST – a později teleskop Jamese Webba – musel být navržen tak, aby viděl v infračerveném spektru.
Proč je to pro nás důležité?
Protože to ukotvuje naši chronologii. To ukazuje, jak rychle vesmír rostl. To odhaluje složení prvních hvězd
Účinnost bioluminiscence proti kosmickému jasu
Světlušky pracují s takovou účinností, že lidské inženýrství vypadá nemotorně. Přeměňují 95 procent své energie na světlo. Ani watt se neztratí jako teplo. Porovnejte to s klasickými žárovkami z minulých let. Tyto staré lampy přeměnily na světlo jen asi deset procent elektřiny. Odpočinek? Jen zbytečné teplo. I moderní kompaktní zářivky vypadají ve srovnání s nimi průměrně. Vyzařují viditelné světlo na pouhou čtvrtinu spotřebované energie.
Světlo emitující diody (LED) jsou samozřejmě lepšími úsporami energie. Ale jejich účinnost je stále nižší než přirozená záře. Jejich účinnost se pohybuje někde mezi deseti a čtyřiceti procenty. Světlušky je nechávají daleko za sebou.
Teď se vzdálit. Hodně se odstěhujte.
Pokud si myslíte, že světluška je jasná, podívejte se na WISE J224607.57-052635.0. Tato galaxie je tak vzdálená, že je těžké ji pochopit. Září však jasem 300 bilionů sluncí. Nejedná se o překlep. Bilion. Se dvěma nulami za “b”.
Proč je tak oslnivě jasný?
Nejsou to jen hvězdy, které spalují palivo. Je to supermasivní černá díra ve svém středu. Toto gravitační monstrum pohlcuje hmotu. Nasaje plyn a roztrhne ho. Třením vzniká přehřátý vír. Tato rotující hmota vyzařuje světlo s takovou intenzitou, že převyšuje kombinovaný hvězdný výstup většiny pozorovatelného vesmíru.
Firefly je efektivní. Tato galaxie je ohromující. Jeden je biologický zázrak. Druhý je vesmírné monstrum. Oba svým způsobem odmítají plýtvat energií na teplo.
