Шепотът на фотоните

Едно от най-известните изречения в Библията е точно в началото, в разказа за творението. Там е описано създаването на първия ден. „И Бог каза: Нека бъде светлина! И имаше светлина. "

Космолозите вече знаят: След Големия взрив трябваше да минат 300 000 години, преди светлината да може да хвърли оковите на материята. Едва тогава температурата на Вселената спаднала толкова ниско, че атомните ядра поставили електроните, които били необуздани, на каишка. Сега Вселената стана прозрачна - и светлината можеше да препуска безпрепятствено през младия космос.

И до ден днешен слабото отблясъци на сцената на огнената топка залива стаята: Докато „космическо фоново излъчване“ безмасовите светлинни частици, наречени „фотони“ от Алберт Айнщайн, нашепват на астрофизиците истории за създаването на Вселената - като ехо от Големия взрив. Сега изследователите знаят и за раждането на първата светлина, може би преди 15 милиарда години. Създаден е от топлината на Големия взрив и излъчването на материя и антиматерия в първите секунди на космоса. Може да се изчисли дори броят на фотоните в наблюдаемата Вселена: около 1089 - милиард пъти повече от броя на атомите.

Светлината все още се преражда: чрез ядрен синтез при 10 до 150 милиона градуса вътре в звездите. Оттам той не може да излети по права линия, но - както в младата Вселена - постоянно се разсейва от завихрени електрони и атомни ядра. Така че той трябва да се пребори за космоса в зигзагообразен курс, продължаващ хиляди години. Светлината от повърхността на нашето слънце до земята се нуждае само от добри осем минути. По време на слънчеви бани десет трилиона фотони всяка секунда поразяват всеки квадратен сантиметър от кожата.

Други частици в слънчевия вятър, главно електрони и протони, се движат в продължение на 20 до 50 часа. Земното магнитно поле ги предпазва до голяма степен - но понякога някои от тях се сблъскват с атмосферата. Тогава те осигуряват яростно северно сияние - особено във високите северни и южни ширини. Техните сини и лилави цветове са създадени от възбуждането на азотни атоми във въздуха, а зеленото идва от кислорода. Полярни светлини са наблюдавани и на планетите Юпитер и Сатурн.

Не бихме могли да съществуваме без слънчева светлина. Почти целият живот на земята зависи пряко или косвено от него. „Животът е изтъкан от въздуха посредством светлина“, беше поетичният израз на физиолога от 19-ти век Джейкъб Молешит. Той мислеше за фотосинтеза, при която слънчевата енергия се използва за изграждане на високоенергийни въглехидрати. Растенията, водораслите и някои бактерии буквално се хранят със слънчева светлина, която улавят с помощта на чувствителни към светлина антенни молекули: Те са ядещи светлина.

Но светлината не само предава енергия, но е и източник на информация. Например той докладва за материята, от която произхожда. Всеки химичен елемент оставя характерен пръстов отпечатък в спектъра на излъчваната светлина.

Спектралният анализ отдавна е утвърден като важен метод за идентифициране и изследване на атоми и молекули. Например тъмножълтият цвят на пламъка показва натриеви атоми - например, когато няколко зърна трапезна сол (натриев хлорид) попаднат в пламъка на газовата печка.

Светлината обаче не се създава само чрез изгаряне на материята при високи температури. Природата създава и по-хладни светлинни явления. Например флуоресценция: някои атоми или молекули поглъщат енергия, като по този начин се въвеждат във възбудено състояние и освобождават тази енергия като светлина в рамките на една милионна част от секундата. Телевизионните екрани и флуоресцентните лампи например се основават на този принцип. Химическите добавки в детергентите флуоресцират синкаво при ултравиолетовата светлина на дневната светлина; това синьо добавя към жълтото от варови остатъци и води до "блестящо бяло".

Фосфоресценцията, от друга страна, възниква, когато електроните на вещества като лекиран с мед цинков сулфид се въвеждат в постоянно, по-енергийно състояние от светлината. Такива „леки батерии“ могат да отделят светлина в продължение на много минути до седмици, в зависимост от веществото и температурата. Те могат да бъдат намерени например на циферблати на часовници, а напоследък и във флуоресцентни пръчки без батерии.

Феноменът на светлината, наречен сонолуминесценция, все още е загадка. Може да се генерира от високочестотни, свързани в комплект звукови вълни в течности. Удивително е, че тази светлина се появява при светкавици, които са милиони пъти по-кратки от очакваното въз основа на структурата на звука.

Живите същества също могат да генерират светлина по студен начин - процес, известен като биолуминесценция. Изисква енергия и каталитична активност на специални ензими, луциферазите. Те окисляват някои въглеродни съединения, луциферините, създавайки синкаво или зелено сияние. Някои насекоми и риби имат свои собствени светлинни клетки, които често са облицовани със светлоотразителни кристали. Био-сиянието проблясва от тези клетки през кожата на животните. Те могат да общуват помежду си или да привличат хранителни животни.

Ракообразните и калмарите в дълбоководното море съхраняват своите луциферини и луциферази в отделни жлези под кожата. В случай на опасност те отварят жлезите и изхвърлят светещи облаци във водата, обърквайки хищниците.

Многобройни червеи, морски звезди, кухи животни и мекотели, както и някои риби са влезли в симбиоза с бактерии, които ги освобождават от светлината. Някои луминесцентни бактерии като Vibrio balticum и Bacterium phosphorescens живеят сами във водата и създават романтичното морско сияние в определени моменти. Други се радват на мъртво месо или гниещо дърво и му придават призрачен блясък.

Хората са се научили да използват биолуминесценцията като източник на информация. Гените на луцифераза, които са били вкарани контрабандно в бактерии и съчетани със специални „молекули за възприятие“, могат да бъдат използвани като биологични измервателни устройства: Например, те могат да докладват за токсини от околната среда във вода.

В природата също биолуминесценцията често има сигнална функция. Например, работи за намиране на партньор. Светулките искрят в прилив на любов през топлите юнски нощи: мъжките насекоми танцуват във въздуха, докато женските, известни като светещи червеи или скакалци, приклекват очаквано в тревата и флиртуват назад със светещи кръгове.

За някои мъже от рода Фотин обаче любовният танц завършва фатално. Тъй като женските от рода на светулките Photuris имитират флиртовите сигнали на дамите Photinus - и обичат да ядат измамените мъже Photinus.