De eindeloze beweging van het licht

Mensenogen zijn afgesteld op het licht dat de zon het meest uitzendt. Maar licht heeft vele gedaantes. Golven van pico- tot kilometers lang, lichtdeeltjes die materie in beweging zetten.

Licht breekt op het spiegelend oppervlak van een cd.
Licht breekt op het spiegelend oppervlak van een cd. Foto Shutterstock

Zal ooit het menselijk zicht uitgebreid worden? Na een lang evolutionair proces staan mensenogen nu afgesteld op het licht dat de zon het meeste uitzendt. In de zeventiende eeuw al ontrafelde Sir Isaac Newton dat zichtbare licht in violet, blauw, groen, geel en rood licht.

Dat licht, dat weerkaatst en verstrooid wordt, stelt mensen in staat voorwerpen te onderscheiden. Zo hoeven ze niet op de tast te leven. Tegelijk zijn ze blind voor het leeuwendeel van het lichtspectrum, dat veel meer omvat dan zichtbaar licht.

Kunnen bionische mensen straks wél infrarood licht waarnemen, net zoals ratelslangen? Een nagloeiende zitting op kantoor zal dan verraden dat de stoel zojuist nog bezet was.

Misschien zullen ze zelfs het ultraviolet licht waarnemen dat nu ongemerkt de huid van mensen bruin kleurt. Dan zullen ze een violette hemel zien en ultraviolette patronen die in bloemharten de landingsplaatsen van honingbijen markeren.

Lastiger zal het zijn om ze een (geluidloze) mobiele telefoon in een broekzak te laten opmerken – enkel door de radiostraling die zo’n mobieltje uitzendt.

En of bionische mensen ooit in staat zullen zijn radioactieve isotopen op te merken in de bodem of in zeewater aan de hand van de gammastraling die zulke isotopen uitzenden?

Korrelig en golfjes

De essentie van al dat ‘licht’ is steeds dezelfde: telkens gaat het om een snel wisselend elektrisch veld, dat een snel wisselend magnetisch veld opwekt, dat weer een snel wisselend elektrisch veld opwekt en zo verder. In een eindeloze beweging wordt zo de in die velden verpakte energie voortgestuwd – het levert een elektromagnetische golf die zich met een snelheid van 300.000 kilometer per seconde (in vacuüm) voortplant.

De geniale Schot James Clerk Maxwell ving zulke elektromagnetische golven in 1861 voor het eerst in formules – en bekroonde zo een lange traditie waarin bijvoorbeeld Pythagoras (500 v Chr.) en Christiaan Huygens (in de zeventiende eeuw) licht al als golfverschijnsel opvatten. Maar Archimedes (250 v Chr.) en Newton hadden óók gelijk. Licht bestaat uit deeltjes, dachten zij. Albert Einstein perfectioneerde in 1905 de ideeën daarover door te stellen dat licht korrelig is – dat het bestaat uit energiepakketjes. De energie van zo’n pakketje bleek evenredig met de frequentie van de lichtgolf.

Ofwel: hoe korter de golflengte van het licht (bezien als golf), hoe meer energie er in verpakt zit (bezien als deeltje).

Uitgestrekt spectrum

Zo kan een uitgestrekt lichtspectrum gedefinieerd worden. Dat loopt van ‘zachte’ radiogolven met golflengtes van (vele) kilometers, via microgolven (meters tot millimeters), infraroodgolven (700 nanometer tot 1 millimeter), zichtbaar licht (390-700 nanometer) ultraviolet licht (300-400 nanometer), röntgenstralen (0,01-10 nanometer) tot aan keiharde gammastraling met een golflengte van enkele picometers.

Dat licht komt voort uit materie. Denk alleen al aan de kernfusieprocessen in sterren waarin materie in licht wordt omgezet. Én dat licht speelt met materie. Het speelt met de negatief geladen elektronen en positief geladen kerndeeltjes. Die worden door licht verstrooid, weerkaatst of geabsorbeerd. Daarbij staat soms het golf- en soms het deeltjeskarakter van licht op de voorgrond.

Krachtige, onzichtbare radiosignalen bijvoorbeeld bestaan uit talloze lichtdeeltjes. Het is dan handiger om te denken aan de bijbehorende relatief langzaam wisselende elektromagnetische velden. Die wiegen de vrije elektronen in een metalen antenne heen en weer, dankzij de negatieve lading die de elektronen dragen. Zo wekken ze een elektrisch signaal op dat in een televisie, radio of mobiel verwerkt kan worden.

Maar om te snappen waarom onzichtbare gammastralen gevaarlijk zijn voor het menselijk lichaam, werkt denken aan deeltjes beter. In dat beeld zijn gammastralen energierijke kogeltjes die door het lichaam schieten en soms en passant een atoom of molecuul aan flarden rijten.

Mensenogen

De wisselwerking tussen zichtbaar licht en mensenogen wordt helder door aan energiepakketjes te denken. De receptoren in de kegeltjes in die ogen kunnen de energiepakketjes van rood, groen of blauw licht precies behappen.

In zulke absorptieprocessen lanceren de in atomen en moleculen gebonden elektronen zichzelf met de geabsorbeerde energie naar verder van de atoomkernen gelegen banen. Niet zomaar, alsof ze geleidelijk een helling oprollen: ze moeten van baan naar baan springen, alsof ze de sporten van een ladder beklimmen.

Alleen lichtdeeltjes met de juiste energie kunnen zo een atoom of molecuul in een aangeslagen toestand (met dat opgeklommen elektron) brengen. Zulk lichtdeeltjes kunnen een atoom of molecuul ook ioniseren, waarbij het elektron zich helemaal losmaakt. Daarmee zetten de lichtdeeltjes een structuurverandering of chemische reactie in gang.

Concreter: ontbreekt die match, zoals bij zichtbaar licht en glas, dan passeert het licht dat glas ongehinderd. Maar dankzij zo’n match absorbeert bijvoorbeeld bladgroen in boombladeren blauw of rood licht met de juiste golflengte (ofwel energie) en zet het daarna om in chemische energie (suikers). En het niet gebruikte en gereflecteerde groene licht laat intussen de kegeltjes in mensogen vuren: groen blad!

En ja, dat is ook om te draaien: wisselstroom, ofwel de collectieve beweging van elektronen in een antenne, wekt radiostralen op. Als een elektron in een atoom terugvalt naar zijn oude baan, zendt het de straling weer uit en zo verder.

Zolang de dosis energie die de lichtstralen dragen maar precies behapbaar is voor een molecuul, atoom, elektron of een ensemble daarvan, kan licht dus materie in beweging zetten én vice versa. Sterker: zonder licht stokt alles. Oneindig doods, koud, stil en saai zal het zijn, wanneer de kosmos donker wordt.