Научни круг

Од ватре до ЛЕД-а

Прошлост и будућност науке о светлости

Текст: Марко Крстић

Илустрације: Драгана Кртинић

Чувени немачки научник Макс Планк, по чијем имену је названа и једна фундаментална физичка константа која је поставила темеље за потпуно ново разумевање физике, а у оквиру ње и светлости, једном приликом је рекао да се фотони понашају као интелигентна, људска бића. Наиме, приликом кретања, од свих могућих путања, ови саставни чиниоци сваког светлосног (електромагнетног) зрака увек бирају ону којом на циљ стижу за најкраће могуће време.

По питању ове особине фотони нису еволуирали. На исти начин понашају се од почетка времена, односно онога што сматрамо за почетак времена – од првог фотона насталог креирањем универзума у Великом праску, барем према ономе како данас претпостављамо да су универзум и све у њему настали. Ипак, кроз своју дугу историју, која се мери милијардама година, околности у којима су се фотони налазили, а понајвише начин на који су употребљавани, и те како су еволуирали.

 

Ватра

Причу о развојном путу фотона почећемо ипак од – на скали универзума – његове „новије“ историје. Једини фотони које је до пре неколико стотина хиљада година човек познавао били су они који су долазили са Сунца. То су били фотони које је могао да види или осети – светлост потребна за обављање свакодневних активности, као и топлота неопходна за живот. Сви остали, радио-таласи, које данас користимо за комуникацију и пренос информација, УВ зрачење, које до нас проналази пут кроз озонске рупе, затим X и гама зраци, којих се често бојимо, иако су у већој или мањој мери били присутни у његовој околини, и даље су били непознаница. За тадашњег човека сви ови фотони су „живели у мраку“, скривени од његових погледа и чула.

Међутим, у једном стотинама хиљада година удаљеном тренутку од нас, извесни, радознали и пре свега упорни Макс Планк праисторијског доба, према веровањима савремених антрополога и археолога, у тмини пећине Вондерверк на територији данашње Јужноафричке Републике, фундаментално је преокренуо судбину фотона. Наиме, на том месту запаљена је прва контролисана ватра, и ту се родио први фотон, који је био људских руку дело.

И би светлост. Овладавши ватром, човек је овладао и фотоном, не слутећи све реперкусије вештине коју је тада стекао. Тај први створени фотон имао је исте особине као и сваки његов претходник, али и наследник – „интелигентно“ је бирао своју путању у константној агонији својеврсне „хамлетовске“ или боље речено „фотонске“ дилеме, бити талас или бити честица. Међутим, тадашњи човек за то није марио, јер од тог тренутка фотон постаје алат који може да замени сунце онда када је то потребно – да осветли ноћ, да загреје, али и алат којим човек може да се заштити од непријатеља, или да уведе једну новину у своју свакодневицу, да скува ручак. Не испрва, али на временским размерама историје универзума, човек врло брзо уочава још једну употребну вредност свог изума – могућност комуникације светлосним сигналима, поставивши тиме примитивне основе једне од најмодернијих грана науке и инжењерства данашњице, оптичких телекомуникација.

 

Преко ватре до првих лампи

Прошле су стотине хиљада година док човек није начинио наредни еволутивни корак у свом односу са фотоном, створивши прве уљане лампе 4500 година пре нове ере. Ове лампе користиле су животињски лој, те су давале слабу жућкасту светлост и стварале доста дима. Према доступним подацима, прве свеће почињу да се појављују три хиљаде година пре нове ере у древном Египту, но тек древни Римљани смишљају да у њих ставе и фитиљ. И ове свеће прављене су од животињског лоја, а пчелињи восак почиње да се користи тек у средњем веку. Један од првих градова чије су улице биле осветљене уљаним лампама и свећама је шпански град Кордоба, око 1000. године нове ере.

У годинама које су долазиле фотони нису били у жижи људске пажње, али је индустријски напредак цивилизације неминовно отварао врата даљој еволуцији фотона. У 18. веку у фокусу пажње биле су парне машине, али истраживања у домену технологија гаса доводе и до тога да 1792. године шкотски инжењер и проналазач Вилијам Мурдох, који је у то време сарађивао са Џејмсом Ватом, конструише прву плинску лампу. Седам година касније таквим лампама осветлио је свој дом у Корнволу, да би 1802. године осветлио целу фабрику у Бирмингему у којој је радио са Ватом.

Паралелно са плинским лампама, у исто време почињу да се појављују и прве електричне. Алесандро Волта 1799. конструише прву батерију, да би 1809. године Хамфри Дејви направио и јавно демонстрирао прву лучну лампу чији се принцип рада заснивао на електричном луку који се стварао при електричном пражњењу између две угљеничне електроде. Хамфријева лампа правила је лук од око 10 центиметара и светлела је приближно истим интензитетом као и данашње класичне сијалице. Међутим, брзо трошење електрода приликом електричног пражњења значило је и кратак радни век овакве лампе. Ипак, оне почињу да проналазе примену у кинематографији и војсци, с обзиром на то да су могле тренутно да осветле платно или циљ светлошћу великог интензитета. Нажалост, оваквим лампама почињу неосновано да се приписују лековита својства, не слутећи да излагање УВ зрацима које оне генеришу има штетне последице.

 

„Не може се рећи да нисам успео. Успео сам да пронађем десет хиљада решења која не раде“

Фотони које ствара класична (инкандесцентна) сијалица чекали су крај 19. века да угледају светлост дана. Аутор наведеног цитата, амерички инжењер, проналазач и предузетник Томас Алва Едисон, сматра се оцем данашње класичне сијалице, иако је пре њега неколико других научника и инжењера конструисало сличне верзије. Ипак, Едисон је први који је свој изум комерцијализовао и интегрисао у већи систем, добрим делом и захваљујући томе што је заслужан за конструкцију генератора једносмерне струје. У трци за открићем сијалице његов највећи конкурент био је мање познати енглески физичар, хемичар и проналазач сер Жозеф Вилсон Свон. Обојица долазе до исте идеје – да за извор светлости искористе парче жице (филамента), усијане протоком електричне струје. Формално, Свон побеђује у овој трци фебруара 1879. године, патентирајући решење код кога се у вакууму унутар стаклене сијалице налазио филамент од угљеника.

Неколико месеци касније, у новембру исте године, Едисон патентира скоро идентично решење. Обе сијалице гореле су десетак сати и имале сличнан недостатак: кратко су трајале, односно долазило је до брзог сагоревања филамента услед слабог вакуума; неопходна је била велика струја како би се усијао филамент због мале специфичне отпорности угљеника; коначно, интензитет иначе слабе светлости временом је опадао услед депоновања гарежи угљеника на унутрашњој страни стакла сијалице. И поред малог заостатка на старту, на концу, Томас Едисон из ове трке излази као победник. Наиме, Едисон је схватио да је потребно да за филамент употреби материјал веће специфичне отпорности који ће се лакше усијати протоком струје, те да је потребно да побољша вакуум у самој сијалици како би филамент спорије сагоревао и тиме се спорије трошио. Већ наредне 1880. године патентирао је сијалицу која је око 1500 сати горела снагом од 16 вати. Данашње сијалице за филамент користе волфрам (тунгстен) и прва таква сијалица појављује се на тржишту у Мађарској 1905. године, од мађарског предузећа Тунгсрам. Иако је волфрам као материјал био познат и у тренутку када је Едисон патентирао сијалицу, технологија обраде волфрама у том тренутку није била доступна, због чега Едисон никада није ни разматрао његову употребу.

Занимљиво је да је прва електрична сијалица у Србији, засијала већ 1881. године, и то у кафани. Да ствар буде још занимљивија, кафана – место злочина, налазила се у Београду, на месту на коме се данас налази зграда Електродистрибуције. Власник овог угоститељског објекта који се звао „Хамбург“, газда Пера, желео је да сијалицом привуче већи број муштерија и у познијим вечерњим часовима. У тадашњој јавности увођење струје, а поготову ноћне уличне расвете, није дочекано са одушевљењем, а из тог времена остала је збележена опаска једног одборника: „Не треба нам то осветљење, јер поштен човек иде спават рано, а битанга нека ломи главу.“ Ипак, одлука о електрификацији јавног светла града Београда усваја се 1890. године, а прва електрична сијалица за јавно осветљење у Београду почиње да сија 1893. године, на углу Коларчеве и Македонске.

 

ЛЕД

Од тог тренутка технологија сијалица напредује и појављују се разни нови типови: неонске, халогене, флуоресцентне… Међутим, наредна фундаментална прекретница у развојном путу фотона дешава се половином 20. века, захваљујући проналаску полупроводника. Иако је још двадесетих година прошлог века руски радио-инжењер Олег Вламириович Лосер испитивао ефекат електролуминисценције у диодама које је користио, Роберт Биард и Гари Питман су, безуспешно покушавајући да конструишу ласер, 1961. патентирали прву ЛЕД светиљку, која је емитовала светлост у инфрацрвеном, за људско око невидљивом делу спектра.

Коначно, након што је укротио ватру и овладао првим фотонима, стотинама хиљада година касније, савремени човек овладао је и ЛЕД-ом. Од тог тренутка па све до данас, однос фотона и човека развија се светлосном брзином. ЛЕД и ласерска светлост отварају неслућени спектар примена тих истих фотона са којима се човек дружи од вајкада. Светлост постаје најмоћнији медијум преноса информација. Она повезује свет, очитава најразличитије податке, хируршки оперише на микрометарском нивоу, прецизно и са лакоћом сече и обрађује и неке од најотпорнијих материјала, и постаје музички инструмент захваљујући коме је Жан Мишел Жар освајао срца публике. Фотони постају довољно важни да им се посвети читава једна нова грана науке – фотоника.

Да игра речи из наслова овог текста не би остала само згодна језичка досетка, побринула се управо фотоника, која је отишла чак и тако далеко и успела да заустави фотоне, или, другим речима, да замрзне светлост. Пут до ових подвига није био лак и подразумевао је доприносе великог броја научника, инжењера, проналазача. Не би ли у потпуности укротио светлост, човек је морао сасвим да проникне у њену природу.

Иако на први поглед можда не делује тако, данашњи свет покреће управо светлост. Сваки е-мејл, телефонски позив са наших мобилних уређаја, типкање по тастатури или екрану телефона зарад интернет претраге, претвара се у пакете података који се трансформишу у светлост која се оптичким влакнима, највећом могућом брзином у универзуму, шаље, ако је то потребно, са једног краја света на други. Понекад и ван граница наше планете, ка свемирским станицама или далеким звездама, надајући се каквом интелигентном одговору из далеких крајева космоса. Употреба светлости у потпуности је превазишла основну потребу да се осветли мрак, светлост је постала незаобилазна алатка модерног, технолошки оријентисаног човека и то са пуним правом, јер запитамо ли се који је то природни ресурс који имамо у изобиљу, врло брзо ћемо схватити да је то управо светлост.

Светлост је, наравно, пре свега, заслужна за живот на планети. Човек је од вајкада славио светлост, учио да је користи, али и трудио се да је разуме. Прво фундаменталније разумевање светлости датира од 17. века и сер Исака Њутна, који је помоћу просте стаклене призме показао да видљиву светлост чини скуп боја – спектар који се од црвене, преко жуте и зелене, прелива у плаву и љубичасту. Баш као и дуга коју понекад видимо кроз капи кише које у том природном процесу играју улогу Њутнових призми, разлажући светлост на саставне боје. У годинама које су долазиле, светлост, како њен видљиви тако и онај невидљиви део спектра, нашла се под лупом великих имена светске науке.

Почетком 20. века, најпре Макс Планк, а касније и Алберт Ајнштајн показују да би природа светлости могла бити, у најмању руку, чудна – светлост се понаша и као талас, али и као честица и макар издвојили само један фотон, градивну честицу светлости, он ће у ситуацијама када је то потребно испољити таласна својства, као да уз себе има целу чету својих пријатеља фотона. Касније Хајнзенберг одлази корак даље, објашњавајући кроз принцип неодређености да никада нећемо бити у стању да знамо баш све о тим истим фотонима. Другим речима, никада нећемо моћи истовремено да знамо и њихов тачан положај и брзину. Иако на папиру контроверзне, ове теорије нашле су своје експериментално утемељење и обасјале пут науци под именом фотоника.

 

Фотоника

Термин фотоника појављује се шездесетих година прошлог века уз проналазак ласера који дугујемо америчком инжењеру Теодору Мајману. Данас ласери проналазе широку примену у нашој свакодневици: у скенерима за бар-кодове, ДВД читачима, незаобилазан су део савремених телекомуникационих мрежа, од велике су помоћи лекарима онда када је потребно извршити микропрецизне хируршке интервенције, или радницима у фабрици када је потребно исто тако прецизно исећи масивне и чврсте материјале попут дрвета, челика. Примењују се у војсци као радари и сензори, примену налазе и у индустрији забаве, а спектар њихове примене незаустављиво се шири.

Шта је заправо ласер и зашто је светлост ласера толико значајна и широко применљива? Ласерска светлост није обична светлост. У обичној светлости фотони имају различите енергије, правци и смерови њихових путања се помало и разилазе, а њихове таласне осцилације нису синхронизоване, или, стручно речено, они нису кохерентни. Међутим, у ласерској светлости фотони као да схватају да су рецепт за велика дела јединство и међусобна синергија, те усклађују своје енергије, правце и смерове кретања и синхронизују своје осцилације.

И тако настаје магија.

За њихова велика дела, постаје небитно да ли су фотони настали захваљујући гасним ласерима (који фотоне генеришу помоћу гасова попут угљен-диоксида, хелијума, неона, аргона), такозваним чврстотелним ласерима (који се служе специјалним кристалима из којих добијају фотоне), или, пак, модерним ласерима (који фотоне „чупају“ из квантних јама, жица, црта или тачака спакованих у полупроводнике), толико сићушним да могу бити интегрисани на један чип.

И управо могућност да се један ласер спакује на сићушни чип отвара врата фотоници да постане електроника 21. века, а фотонима да замене електроне, односно светлости да замени електричну струју. Да би се то и догодило, ласери јесу потребан, али не и довољан услов. Иако они служе као извори, односно генератори сигнала, генерисану светлост је најпре потребно транспортовати. У домену великих система транспорт ласерске светлости обезбеђен је оптичким влакнима и она данас повезују цео свет, пролазећи чак и кроз недоступне пределе попут дна океана. На простом принципу закона тоталне унутрашње рефлексије, елементарног физичког закона који се изучава већ у основној школи, оптичко влакно, то једноставно парче стакла, задржава светлост у себи, водећи је ка жељеној дестинацији. Ипак, услед ефеката попут дисперзије, Керове, Брилуенове, Раманове нелинеарности, влакна на том путу слабе интензитет светлости, деформишу облик светлосног сигнала, растежу га или сабијају, генеришу нове нежељене светлосне сигнале, чинећи да информација коју смо путем светлости желели да пошаљемо кроз влакно, на његовом другом крају понекад изгледа непрепознатљиво.

Да би решила овај проблем, фотоника је морала да конструише нове, изазовне направе попут оптичких појачивача способних да светлост појачају директно у оптичком домену, модулатора и ремодулатора који могу да прекроје форму оптичког сигнала, разне врсте оптичких филтера, итд. Задивљујуће, ове елементе фотоника је научила и да спакује на један сићушни чип. Уместо влакана, на чипу светлост се води такозваним таласоводима, структурама које попут канала усмеравају и транспортују светлост – када је то потребно, помоћу оптичких спрежњака и делитеља, спајају и раздвајају светлосне сигнале, па чак, помоћу прстенастих резонатора, складиште светлост. Човек светлост региструје оком, барем онај видљиви део светлости. Неке друге, „невидљиве“ делове спектра региструје другим чулима – инфрацрвени део спектра осећа као топлоту, ултраљубичасти део спектра, уколико се не заштити, региструје опекотинама на кожи, а неке делове спектра једноставно и не осећа, радио-таласе, X, гама зраке, итд. У фотоници, „очи“ за светлост представљају фотодетектори. У модерној технологији они се праве на бази полупроводника и конструишу тако да могу да осете и оне делове спектра које људско око не може. Поменутим компонентама фотоника је овладала генерацијом, транспортом, обрадом и детекцијом светлости.

Наравно, пут до свеоптичког чипа још није завршен. На том путу научнике и инжењере фотонике чека још много изазова: полупроводнички материјали од којих се праве најбољи таласоводи тешко се комбинују са полупроводничким материјалима од којих се праве најбољи ласери. Осим тога, комплексне методе обраде светлосних сигнала и даље није могуће урадити у строго оптичком домену, већ је потребно вршити конверзију у електрични домен, чиме се смањује брзина рада, и тако редом. Фотоника интензивно ради на овим проблемима и научни чланци у престижним часописима попут Nature Photonics, откривају сваког месеца нове, револуционарне пробоје.

 

Расветљавање будућности

Колико год футуристички и визионарски звучала могућност да се електронски чипови замене светлосним и да у скоријој будућности на бази њих буде конструисан оптички рачунар који би функционисао на незамисливо великим брзинама, фотоника представља далеко више од поменутих направа и смелих визија. Фотоника су и скоро па научнофантастични метаматеријали, вештачке фотонске творевине које светлост могу тако да заокрену, да учине да предмет у њиховом окриљу постане невидљив! Звучало то невероватно или не, овакви „плаштови невидљивости“ направљени су на микро и нано метарским скалама, те на фотоници у будућности остаје да их увећа и унапреди. Фотоника су и егзотични фреквенцијски чешљеви, светлосни сигнали који подсећају на обичан чешаљ – састоје се од великог броја јаких, уских, еквидистантних светлосних линија и као такви представљају својеврсну фреквенцијску референцу, баш као што би, рецимо, лењир са еквидистантним зарезима који мере милиметре представљао референцу за дужину. Ипак, фреквенцијски чешљеви имају и тај степен слободе да размак између њихових линија може бити подешен у складу са потребама, те на тај начин постају моћни сензори невероватних примена. На крају крајева, није случајно што су заслужни и за освајање Нобелове награде из физике 2005. године. Фотоника су и „оптичке пинцете“, јако фокусирана ласерска светлост којом је, баш попут правих пинцета, могуће манипулисати објектима на атомском и субатомском нивоу: ћелијама бактерија, вируса, наночестицама, молекулима ДНК…

Неколико хиљада речи овог чланка мало је да се дочарају ширина и атрактивност фотонике.  Научивши да чак заустави фотон и на тај начин „замрзне“ светлост, ова наука је овладала фотонима и будућим генерацијама научника и инжењера отворила пут ка новим изазовима. Музички састав Пинк Флојд је инспирацију за корице свог култног албума The Dark Side of the Moon нашао управо у Њутновом експерименту са призмом. Овај албум померио је границе дотадашњег схватања музике, а аутор овог текста нада се да ће нека од овде споменутих или неспоменутих бравура фотонике инспирисати и читаоце за револуционарне идеје и дела.

__________________

Марко Крстић је запослен у звању доцента при Катедри за микроелектронику и техничку физику на Електротехничком факултету Универзитета у Београду. У току свог научног и стручног рада бавио се проблемима у областима оптоелектронике, фотонике и оптичких комуникација. Изводи наставу на већем броју предмета који се тичу теоријске и примењене физике и фотонике. Од јуна 2018. године обавља функцију в.д. директора Центра за промоцију науке.

__________________

Чланак је  изворно објављен у 18. броју часописа Елементи

 

Истражите друге текстове:


Grb Republike Srbije
ecsite nsta eusea astc

ЦПН
Улица краља Петра 46
11000 Београд
Република Србија
+381 11 24 00 260
centar@cpn.rs