Prošlost i budućnost nauke o svetlosti
Tekst: Marko Krstić
Čuveni nemački naučnik Maks Plank, po čijem imenu je nazvana i jedna fundamentalna fizička konstanta koja je postavila temelje za potpuno novo razumevanje fizike, a u okviru nje i svetlosti, jednom prilikom je rekao da se fotoni ponašaju kao inteligentna, ljudska bića. Naime, prilikom kretanja, od svih mogućih putanja, ovi sastavni činioci svakog svetlosnog (elektromagnetnog) zraka uvek biraju onu kojom na cilj stižu za najkraće moguće vreme.
Po pitanju ove osobine fotoni nisu evoluirali. Na isti način ponašaju se od početka vremena, odnosno onoga što smatramo za početak vremena – od prvog fotona nastalog kreiranjem univerzuma u Velikom prasku, barem prema onome kako danas pretpostavljamo da su univerzum i sve u njemu nastali. Ipak, kroz svoju dugu istoriju, koja se meri milijardama godina, okolnosti u kojima su se fotoni nalazili, a ponajviše način na koji su upotrebljavani, i te kako su evoluirali.
Vatra
Priču o razvojnom putu fotona počećemo ipak od – na skali univerzuma – njegove „novije“ istorije. Jedini fotoni koje je do pre nekoliko stotina hiljada godina čovek poznavao bili su oni koji su dolazili sa Sunca. To su bili fotoni koje je mogao da vidi ili oseti – svetlost potrebna za obavljanje svakodnevnih aktivnosti, kao i toplota neophodna za život. Svi ostali, radio-talasi, koje danas koristimo za komunikaciju i prenos informacija, UV zračenje, koje do nas pronalazi put kroz ozonske rupe, zatim X i gama zraci, kojih se često bojimo, iako su u većoj ili manjoj meri bili prisutni u njegovoj okolini, i dalje su bili nepoznanica. Za tadašnjeg čoveka svi ovi fotoni su „živeli u mraku“, skriveni od njegovih pogleda i čula.
Međutim, u jednom stotinama hiljada godina udaljenom trenutku od nas, izvesni, radoznali i pre svega uporni Maks Plank praistorijskog doba, prema verovanjima savremenih antropologa i arheologa, u tmini pećine Vonderverk na teritoriji današnje Južnoafričke Republike, fundamentalno je preokrenuo sudbinu fotona. Naime, na tom mestu zapaljena je prva kontrolisana vatra, i tu se rodio prvi foton, koji je bio ljudskih ruku delo.
I bi svetlost. Ovladavši vatrom, čovek je ovladao i fotonom, ne sluteći sve reperkusije veštine koju je tada stekao. Taj prvi stvoreni foton imao je iste osobine kao i svaki njegov prethodnik, ali i naslednik – „inteligentno“ je birao svoju putanju u konstantnoj agoniji svojevrsne „hamletovske“ ili bolje rečeno „fotonske“ dileme, biti talas ili biti čestica. Međutim, tadašnji čovek za to nije mario, jer od tog trenutka foton postaje alat koji može da zameni sunce onda kada je to potrebno – da osvetli noć, da zagreje, ali i alat kojim čovek može da se zaštiti od neprijatelja, ili da uvede jednu novinu u svoju svakodnevicu, da skuva ručak. Ne isprva, ali na vremenskim razmerama istorije univerzuma, čovek vrlo brzo uočava još jednu upotrebnu vrednost svog izuma – mogućnost komunikacije svetlosnim signalima, postavivši time primitivne osnove jedne od najmodernijih grana nauke i inženjerstva današnjice, optičkih telekomunikacija.
Preko vatre do prvih lampi
Prošle su stotine hiljada godina dok čovek nije načinio naredni evolutivni korak u svom odnosu sa fotonom, stvorivši prve uljane lampe 4500 godina pre nove ere. Ove lampe koristile su životinjski loj, te su davale slabu žućkastu svetlost i stvarale dosta dima. Prema dostupnim podacima, prve sveće počinju da se pojavljuju tri hiljade godina pre nove ere u drevnom Egiptu, no tek drevni Rimljani smišljaju da u njih stave i fitilj. I ove sveće pravljene su od životinjskog loja, a pčelinji vosak počinje da se koristi tek u srednjem veku. Jedan od prvih gradova čije su ulice bile osvetljene uljanim lampama i svećama je španski grad Kordoba, oko 1000. godine nove ere.
U godinama koje su dolazile fotoni nisu bili u žiži ljudske pažnje, ali je industrijski napredak civilizacije neminovno otvarao vrata daljoj evoluciji fotona. U 18. veku u fokusu pažnje bile su parne mašine, ali istraživanja u domenu tehnologija gasa dovode i do toga da 1792. godine škotski inženjer i pronalazač Vilijam Murdoh, koji je u to vreme sarađivao sa Džejmsom Vatom, konstruiše prvu plinsku lampu. Sedam godina kasnije takvim lampama osvetlio je svoj dom u Kornvolu, da bi 1802. godine osvetlio celu fabriku u Birmingemu u kojoj je radio sa Vatom.
Paralelno sa plinskim lampama, u isto vreme počinju da se pojavljuju i prve električne. Alesandro Volta 1799. konstruiše prvu bateriju, da bi 1809. godine Hamfri Dejvi napravio i javno demonstrirao prvu lučnu lampu čiji se princip rada zasnivao na električnom luku koji se stvarao pri električnom pražnjenju između dve ugljenične elektrode. Hamfrijeva lampa pravila je luk od oko 10 centimetara i svetlela je približno istim intenzitetom kao i današnje klasične sijalice. Međutim, brzo trošenje elektroda prilikom električnog pražnjenja značilo je i kratak radni vek ovakve lampe. Ipak, one počinju da pronalaze primenu u kinematografiji i vojsci, s obzirom na to da su mogle trenutno da osvetle platno ili cilj svetlošću velikog intenziteta. Nažalost, ovakvim lampama počinju neosnovano da se pripisuju lekovita svojstva, ne sluteći da izlaganje UV zracima koje one generišu ima štetne posledice.
„Ne može se reći da nisam uspeo. Uspeo sam da pronađem deset hiljada rešenja koja ne rade“
Fotoni koje stvara klasična (inkandescentna) sijalica čekali su kraj 19. veka da ugledaju svetlost dana. Autor navedenog citata, američki inženjer, pronalazač i preduzetnik Tomas Alva Edison, smatra se ocem današnje klasične sijalice, iako je pre njega nekoliko drugih naučnika i inženjera konstruisalo slične verzije. Ipak, Edison je prvi koji je svoj izum komercijalizovao i integrisao u veći sistem, dobrim delom i zahvaljujući tome što je zaslužan za konstrukciju generatora jednosmerne struje. U trci za otkrićem sijalice njegov najveći konkurent bio je manje poznati engleski fizičar, hemičar i pronalazač ser Žozef Vilson Svon. Obojica dolaze do iste ideje – da za izvor svetlosti iskoriste parče žice (filamenta), usijane protokom električne struje. Formalno, Svon pobeđuje u ovoj trci februara 1879. godine, patentirajući rešenje kod koga se u vakuumu unutar staklene sijalice nalazio filament od ugljenika.
Nekoliko meseci kasnije, u novembru iste godine, Edison patentira skoro identično rešenje. Obe sijalice gorele su desetak sati i imale sličnan nedostatak: kratko su trajale, odnosno dolazilo je do brzog sagorevanja filamenta usled slabog vakuuma; neophodna je bila velika struja kako bi se usijao filament zbog male specifične otpornosti ugljenika; konačno, intenzitet inače slabe svetlosti vremenom je opadao usled deponovanja gareži ugljenika na unutrašnjoj strani stakla sijalice. I pored malog zaostatka na startu, na koncu, Tomas Edison iz ove trke izlazi kao pobednik. Naime, Edison je shvatio da je potrebno da za filament upotrebi materijal veće specifične otpornosti koji će se lakše usijati protokom struje, te da je potrebno da poboljša vakuum u samoj sijalici kako bi filament sporije sagorevao i time se sporije trošio. Već naredne 1880. godine patentirao je sijalicu koja je oko 1500 sati gorela snagom od 16 vati. Današnje sijalice za filament koriste volfram (tungsten) i prva takva sijalica pojavljuje se na tržištu u Mađarskoj 1905. godine, od mađarskog preduzeća Tungsram. Iako je volfram kao materijal bio poznat i u trenutku kada je Edison patentirao sijalicu, tehnologija obrade volframa u tom trenutku nije bila dostupna, zbog čega Edison nikada nije ni razmatrao njegovu upotrebu.
Zanimljivo je da je prva električna sijalica u Srbiji, zasijala već 1881. godine, i to u kafani. Da stvar bude još zanimljivija, kafana – mesto zločina, nalazila se u Beogradu, na mestu na kome se danas nalazi zgrada Elektrodistribucije. Vlasnik ovog ugostiteljskog objekta koji se zvao „Hamburg“, gazda Pera, želeo je da sijalicom privuče veći broj mušterija i u poznijim večernjim časovima. U tadašnjoj javnosti uvođenje struje, a pogotovu noćne ulične rasvete, nije dočekano sa oduševljenjem, a iz tog vremena ostala je zbeležena opaska jednog odbornika: „Ne treba nam to osvetljenje, jer pošten čovek ide spavat rano, a bitanga neka lomi glavu.“ Ipak, odluka o elektrifikaciji javnog svetla grada Beograda usvaja se 1890. godine, a prva električna sijalica za javno osvetljenje u Beogradu počinje da sija 1893. godine, na uglu Kolarčeve i Makedonske.
LED
Od tog trenutka tehnologija sijalica napreduje i pojavljuju se razni novi tipovi: neonske, halogene, fluorescentne… Međutim, naredna fundamentalna prekretnica u razvojnom putu fotona dešava se polovinom 20. veka, zahvaljujući pronalasku poluprovodnika. Iako je još dvadesetih godina prošlog veka ruski radio-inženjer Oleg Vlamiriovič Loser ispitivao efekat elektroluminiscencije u diodama koje je koristio, Robert Biard i Gari Pitman su, bezuspešno pokušavajući da konstruišu laser, 1961. patentirali prvu LED svetiljku, koja je emitovala svetlost u infracrvenom, za ljudsko oko nevidljivom delu spektra.
Konačno, nakon što je ukrotio vatru i ovladao prvim fotonima, stotinama hiljada godina kasnije, savremeni čovek ovladao je i LED-om. Od tog trenutka pa sve do danas, odnos fotona i čoveka razvija se svetlosnom brzinom. LED i laserska svetlost otvaraju neslućeni spektar primena tih istih fotona sa kojima se čovek druži od vajkada. Svetlost postaje najmoćniji medijum prenosa informacija. Ona povezuje svet, očitava najrazličitije podatke, hirurški operiše na mikrometarskom nivou, precizno i sa lakoćom seče i obrađuje i neke od najotpornijih materijala, i postaje muzički instrument zahvaljujući kome je Žan Mišel Žar osvajao srca publike. Fotoni postaju dovoljno važni da im se posveti čitava jedna nova grana nauke – fotonika.
Da igra reči iz naslova ovog teksta ne bi ostala samo zgodna jezička dosetka, pobrinula se upravo fotonika, koja je otišla čak i tako daleko i uspela da zaustavi fotone, ili, drugim rečima, da zamrzne svetlost. Put do ovih podviga nije bio lak i podrazumevao je doprinose velikog broja naučnika, inženjera, pronalazača. Ne bi li u potpunosti ukrotio svetlost, čovek je morao sasvim da pronikne u njenu prirodu.
Iako na prvi pogled možda ne deluje tako, današnji svet pokreće upravo svetlost. Svaki e-mejl, telefonski poziv sa naših mobilnih uređaja, tipkanje po tastaturi ili ekranu telefona zarad internet pretrage, pretvara se u pakete podataka koji se transformišu u svetlost koja se optičkim vlaknima, najvećom mogućom brzinom u univerzumu, šalje, ako je to potrebno, sa jednog kraja sveta na drugi. Ponekad i van granica naše planete, ka svemirskim stanicama ili dalekim zvezdama, nadajući se kakvom inteligentnom odgovoru iz dalekih krajeva kosmosa. Upotreba svetlosti u potpunosti je prevazišla osnovnu potrebu da se osvetli mrak, svetlost je postala nezaobilazna alatka modernog, tehnološki orijentisanog čoveka i to sa punim pravom, jer zapitamo li se koji je to prirodni resurs koji imamo u izobilju, vrlo brzo ćemo shvatiti da je to upravo svetlost.
Svetlost je, naravno, pre svega, zaslužna za život na planeti. Čovek je od vajkada slavio svetlost, učio da je koristi, ali i trudio se da je razume. Prvo fundamentalnije razumevanje svetlosti datira od 17. veka i ser Isaka Njutna, koji je pomoću proste staklene prizme pokazao da vidljivu svetlost čini skup boja – spektar koji se od crvene, preko žute i zelene, preliva u plavu i ljubičastu. Baš kao i duga koju ponekad vidimo kroz kapi kiše koje u tom prirodnom procesu igraju ulogu Njutnovih prizmi, razlažući svetlost na sastavne boje. U godinama koje su dolazile, svetlost, kako njen vidljivi tako i onaj nevidljivi deo spektra, našla se pod lupom velikih imena svetske nauke.
Početkom 20. veka, najpre Maks Plank, a kasnije i Albert Ajnštajn pokazuju da bi priroda svetlosti mogla biti, u najmanju ruku, čudna – svetlost se ponaša i kao talas, ali i kao čestica i makar izdvojili samo jedan foton, gradivnu česticu svetlosti, on će u situacijama kada je to potrebno ispoljiti talasna svojstva, kao da uz sebe ima celu četu svojih prijatelja fotona. Kasnije Hajnzenberg odlazi korak dalje, objašnjavajući kroz princip neodređenosti da nikada nećemo biti u stanju da znamo baš sve o tim istim fotonima. Drugim rečima, nikada nećemo moći istovremeno da znamo i njihov tačan položaj i brzinu. Iako na papiru kontroverzne, ove teorije našle su svoje eksperimentalno utemeljenje i obasjale put nauci pod imenom fotonika.
Fotonika
Termin fotonika pojavljuje se šezdesetih godina prošlog veka uz pronalazak lasera koji dugujemo američkom inženjeru Teodoru Majmanu. Danas laseri pronalaze široku primenu u našoj svakodnevici: u skenerima za bar-kodove, DVD čitačima, nezaobilazan su deo savremenih telekomunikacionih mreža, od velike su pomoći lekarima onda kada je potrebno izvršiti mikroprecizne hirurške intervencije, ili radnicima u fabrici kada je potrebno isto tako precizno iseći masivne i čvrste materijale poput drveta, čelika. Primenjuju se u vojsci kao radari i senzori, primenu nalaze i u industriji zabave, a spektar njihove primene nezaustavljivo se širi.
Šta je zapravo laser i zašto je svetlost lasera toliko značajna i široko primenljiva? Laserska svetlost nije obična svetlost. U običnoj svetlosti fotoni imaju različite energije, pravci i smerovi njihovih putanja se pomalo i razilaze, a njihove talasne oscilacije nisu sinhronizovane, ili, stručno rečeno, oni nisu koherentni. Međutim, u laserskoj svetlosti fotoni kao da shvataju da su recept za velika dela jedinstvo i međusobna sinergija, te usklađuju svoje energije, pravce i smerove kretanja i sinhronizuju svoje oscilacije.
I tako nastaje magija.
Za njihova velika dela, postaje nebitno da li su fotoni nastali zahvaljujući gasnim laserima (koji fotone generišu pomoću gasova poput ugljen-dioksida, helijuma, neona, argona), takozvanim čvrstotelnim laserima (koji se služe specijalnim kristalima iz kojih dobijaju fotone), ili, pak, modernim laserima (koji fotone „čupaju“ iz kvantnih jama, žica, crta ili tačaka spakovanih u poluprovodnike), toliko sićušnim da mogu biti integrisani na jedan čip.
I upravo mogućnost da se jedan laser spakuje na sićušni čip otvara vrata fotonici da postane elektronika 21. veka, a fotonima da zamene elektrone, odnosno svetlosti da zameni električnu struju. Da bi se to i dogodilo, laseri jesu potreban, ali ne i dovoljan uslov. Iako oni služe kao izvori, odnosno generatori signala, generisanu svetlost je najpre potrebno transportovati. U domenu velikih sistema transport laserske svetlosti obezbeđen je optičkim vlaknima i ona danas povezuju ceo svet, prolazeći čak i kroz nedostupne predele poput dna okeana. Na prostom principu zakona totalne unutrašnje refleksije, elementarnog fizičkog zakona koji se izučava već u osnovnoj školi, optičko vlakno, to jednostavno parče stakla, zadržava svetlost u sebi, vodeći je ka željenoj destinaciji. Ipak, usled efekata poput disperzije, Kerove, Briluenove, Ramanove nelinearnosti, vlakna na tom putu slabe intenzitet svetlosti, deformišu oblik svetlosnog signala, rastežu ga ili sabijaju, generišu nove neželjene svetlosne signale, čineći da informacija koju smo putem svetlosti želeli da pošaljemo kroz vlakno, na njegovom drugom kraju ponekad izgleda neprepoznatljivo.
Da bi rešila ovaj problem, fotonika je morala da konstruiše nove, izazovne naprave poput optičkih pojačivača sposobnih da svetlost pojačaju direktno u optičkom domenu, modulatora i remodulatora koji mogu da prekroje formu optičkog signala, razne vrste optičkih filtera, itd. Zadivljujuće, ove elemente fotonika je naučila i da spakuje na jedan sićušni čip. Umesto vlakana, na čipu svetlost se vodi takozvanim talasovodima, strukturama koje poput kanala usmeravaju i transportuju svetlost – kada je to potrebno, pomoću optičkih sprežnjaka i delitelja, spajaju i razdvajaju svetlosne signale, pa čak, pomoću prstenastih rezonatora, skladište svetlost. Čovek svetlost registruje okom, barem onaj vidljivi deo svetlosti. Neke druge, „nevidljive“ delove spektra registruje drugim čulima – infracrveni deo spektra oseća kao toplotu, ultraljubičasti deo spektra, ukoliko se ne zaštiti, registruje opekotinama na koži, a neke delove spektra jednostavno i ne oseća, radio-talase, X, gama zrake, itd. U fotonici, „oči“ za svetlost predstavljaju fotodetektori. U modernoj tehnologiji oni se prave na bazi poluprovodnika i konstruišu tako da mogu da osete i one delove spektra koje ljudsko oko ne može. Pomenutim komponentama fotonika je ovladala generacijom, transportom, obradom i detekcijom svetlosti.
Naravno, put do sveoptičkog čipa još nije završen. Na tom putu naučnike i inženjere fotonike čeka još mnogo izazova: poluprovodnički materijali od kojih se prave najbolji talasovodi teško se kombinuju sa poluprovodničkim materijalima od kojih se prave najbolji laseri. Osim toga, kompleksne metode obrade svetlosnih signala i dalje nije moguće uraditi u strogo optičkom domenu, već je potrebno vršiti konverziju u električni domen, čime se smanjuje brzina rada, i tako redom. Fotonika intenzivno radi na ovim problemima i naučni članci u prestižnim časopisima poput Nature Photonics, otkrivaju svakog meseca nove, revolucionarne proboje.
Rasvetljavanje budućnosti
Koliko god futuristički i vizionarski zvučala mogućnost da se elektronski čipovi zamene svetlosnim i da u skorijoj budućnosti na bazi njih bude konstruisan optički računar koji bi funkcionisao na nezamislivo velikim brzinama, fotonika predstavlja daleko više od pomenutih naprava i smelih vizija. Fotonika su i skoro pa naučnofantastični metamaterijali, veštačke fotonske tvorevine koje svetlost mogu tako da zaokrenu, da učine da predmet u njihovom okrilju postane nevidljiv! Zvučalo to neverovatno ili ne, ovakvi „plaštovi nevidljivosti“ napravljeni su na mikro i nano metarskim skalama, te na fotonici u budućnosti ostaje da ih uveća i unapredi. Fotonika su i egzotični frekvencijski češljevi, svetlosni signali koji podsećaju na običan češalj – sastoje se od velikog broja jakih, uskih, ekvidistantnih svetlosnih linija i kao takvi predstavljaju svojevrsnu frekvencijsku referencu, baš kao što bi, recimo, lenjir sa ekvidistantnim zarezima koji mere milimetre predstavljao referencu za dužinu. Ipak, frekvencijski češljevi imaju i taj stepen slobode da razmak između njihovih linija može biti podešen u skladu sa potrebama, te na taj način postaju moćni senzori neverovatnih primena. Na kraju krajeva, nije slučajno što su zaslužni i za osvajanje Nobelove nagrade iz fizike 2005. godine. Fotonika su i „optičke pincete“, jako fokusirana laserska svetlost kojom je, baš poput pravih pinceta, moguće manipulisati objektima na atomskom i subatomskom nivou: ćelijama bakterija, virusa, nanočesticama, molekulima DNK…
Nekoliko hiljada reči ovog članka malo je da se dočaraju širina i atraktivnost fotonike. Naučivši da čak zaustavi foton i na taj način „zamrzne“ svetlost, ova nauka je ovladala fotonima i budućim generacijama naučnika i inženjera otvorila put ka novim izazovima. Muzički sastav Pink Flojd je inspiraciju za korice svog kultnog albuma The Dark Side of the Moon našao upravo u Njutnovom eksperimentu sa prizmom. Ovaj album pomerio je granice dotadašnjeg shvatanja muzike, a autor ovog teksta nada se da će neka od ovde spomenutih ili nespomenutih bravura fotonike inspirisati i čitaoce za revolucionarne ideje i dela.
Ilustracije: Dragana Krtinić