Spartacus Forlag

Lyset og mennesket

Sollys og månelys. Nordlys og sørlys. Bål og stearinlys, taklamper og nattlys. Glødelamper, oljelamper, trafikklys og laserlys. Morgenrøden. Blåtimen. Stjerner og kometer. Skygger og luftspeilinger. Regnbuen. Fargene. 


Lyset er alt dette – og mye mer. Og det er overalt.


På nattfotografier av jorden er det lett å se hvor vi mennesker bor; byene våre er glødende prikker. Motorveier brer seg som glinsende spindelvev. Hvor enn vi går, tar vi lyset med oss, i form av alt fra stue­lamper og gatelykter til mobilskjermer og blinkende dioder. Man skulle nesten tro moderne mennesker var kollektivt mørkeredde. Så mye lys har vi dekket planeten med at det er blitt vanskelig å unnslippe det. Leger og psykologer har begynt å advare. Vet vi hva den evige gløden gjør med oss? Astronomene advarer også. De kan ikke lenger se nattehimmelen klart. Universets budskap, som stråler ned til oss fra stjernene, blir stadig mindre tydelig. 


Kulturelt står lys for gode ting. Det er tryggheten rundt leirbålet, solens varme, og selve symbolet på liv. Mørket, derimot, er skummelt. Der det er mørkt, er det fare, kulde og monstre under sengen. Lyset dekker grunnleggende behov, som behovet for varme og trygghet. Lys er også fargene som gjør naturen så vakker. Lys er kommunikasjon og nærhet, teknologi og underholdning. Lys er til og med helse, både fysisk og mental. Kanskje er det derfor vi i det mørke nord knapt klarer å sitte innendørs når solen skinner, eller manisk sjekker værmeldingen på jakt etter en glipe i skydekket? Og kanskje er det derfor vi er så glad i nordlyset, som flakker over den arktiske nattehimmelen som en guddommelig brann?


Livet på jorden er tuftet på solens energi. Lyset er en av forutsetningene for at vi finnes, og det har vært med på å forme naturens gang. Fotosyntesen og lysfølsomme organer er blant evolusjonens viktigste steg. En kompleks synssans gir enorme fortrinn i kampen for å overleve.


Hva er lys for noe? Når vi skrur på en lampe i mørket og plutselig kan «se», hva er det egentlig som skjer? Studiet av lys har preget vitenskapshistorien fra de gamle grekerne og frem til i dag, via Isaac Newton og Albert Einstein. Og ennå er det svært mye vi ikke vet.


I denne boken får du historien om lyset i sine mange former – som fenomen i naturen og som forutsetning for menneskenes tilværelse. Du får se fargene i all sin prakt og blir kjent med hvordan naturen selv lager lys, fra ild til ildfluer. Du møter mørket, som spiller en viktigere rolle for oss enn mange er klar over. Og du vil få se hvordan lyset har vært vår beste lærer i hvordan naturen fungerer, både på vår egen jord og langt ute i det dype universet.


Lux Aeterna.


Bjørn H. Samset, juli 2018




Kapittel 1

Lyset og mennesket


Leid, milde ljos, igjennom skoddeheim,

   leid du meg fram.

Eg gjeng i myrke natt langt frå min heim,

   leid du meg fram.

«Leid, milde ljos», salme.

Tekst: Kardinal John Henry Newman.

Melodi: Trad. Oversettelse: Peter Hognestad


Lyset har alltid vært.


Da universet oppsto, for 13,8 milliarder år siden, var lyset der og spredte seg ut sammen med tid, rom, partikler og krefter. Sakte, men sikkert var det med på å gi virkeligheten form.


For fem milliarder år siden, da solen tok fyr i et kjernefysisk inferno, bar lyset energien utover i solsystemet – blant annet til jorden. Her ble lyset en kime som la forholdene til rette for liv, og som deretter bidro til å utvikle det. 


For to millioner år siden utviklet Homo erectus seg i Afrika. De temmet ilden og ga det tidlige mennesket herredømme over sine to største fiender: mørket og kulden. Siden den gang har lyset vært en følgesvenn: vårt samlingspunkt, vår viktigste ressurs og vårt forsvar mot naturens mange trusler. 


For to hundre år siden fikk en skotte en genial idé og strakk rør med brennbar gass inn i huset sitt i Cornwall. Ikke lenge etter var gasslamper allemannseie i Vesten, mer praktisk og langt tryggere til innendørs bruk enn ildsteder, talglys og oljelamper. Derfra var kursen staket ut, mot et verdensomspennende samfunn der natten er valgfri og lyset aldri er mer enn en bryter unna.


For to minutter siden skrudde jeg på en lampe over arbeidsbordet. Lys fra moderne, effektive dioder fylte kontoret mitt, varmt og behagelig som solens egne stråler. PC-skjermen skinner mot meg og oversetter tanker og formuleringer til skarpe mønstre av sort på hvitt. Og mens jeg skriver, er lyset kjernen i en teknologisk revolusjon som foregår rundt meg. Jeg kan høre folk som legger solceller på naboens tak. Med noen tastetrykk kan jeg hente opp artikler om utviklingen av enorme solkraftverk på alle verdens kontinenter – informasjon som er brakt til meg gjennom kabler som ikke lenger er fylt av kobber og trege elektroner, men av rent og effektivt lys. 


Lyset er vår beste venn. Det er alltid med oss, og det vil det også alltid fortsette å være. På godt og vondt. 

For om fem milliarder år vil solen vokse seg enorm og sluke planetene Merkur og Venus. På jorden vil lyset bli så intenst at alt vil brenne, et virkelighetens uunngåelige ragnarok. Menneskeheten – eller våre etterkommere – må finne seg et annet hjem, i bane rundt en annen stjerne. Vi vet lite om hvordan reisen dit vil arte seg, men tre ting er sikre: Vi vil ta lyset med oss på veien gjennom mørket mellom stjernene. Det er lyset som vil gi oss kraften til å reise. Og hvor enn vi drar, vil lyset være der og møte oss når vi kommer. 

Og når universet en gang dør, slik kosmologene sier at det vil, er lyset – høyst sannsynligvis – det siste som vil forsvinne. 



Lyset og livet


Vi mennesker er avhengige av lyset.


«Jeg fremstiller følgende idé», skriver bokholder Oskar Kittilsen i lokalavisen Rjukan, 30. oktober 1913: «Man opstiller store, dreibare reflektorspeil oppe i aasen paa nordsiden av dalen, speil som først samler sollyset og hvorpå det saa igjen spredes som en lyskasterstraale ned over Rjukan by og dens glade innvaanere. (…) Tenk for en herlighet for Rjukan.»


Rjukan er en konstruert by. Den ble grunnlagt tidlig på 1900-tallet da ingeniøren Sam Eyde – som etablerte Norsk Hydro sammen med oppfinneren og nordlysforskeren Kristian Birkeland – skaffet seg rettighetene til å utvinne kraft fra den mektige Rjukanfossen. Eyde planla først å flytte kraften andre steder, men på grunn av en konflikt med Stortinget om konsesjoner endte han i stedet med å starte produksjon av kunstgjødsel på det lille tettstedet Saaheim, ved foten av fossen.


Rjukan Salpeterfabrikker ble starten på et industrieventyr. Bygda fikk nytt navn og vokste etter hvert til rundt 12 000 innbyggere. Den hadde alt hva vi mennesker gjerne higer etter: trygghet, arbeidsplasser, muligheter, og dessuten fantastisk natur. Likevel var ikke folk der fornøyde.

Rjukan manglet nemlig én ting: lys. 


Byen ligger der den gjør fordi naturkreftene har fått en enorm foss til å falle ned i en dyp dal. Så dyp er dalen at sollyset ikke klarer å finne veien ned om vinteren. Det blir mørketid, selv om Rjukan ligger langt sør for polarsirkelen. Kaldt, trist og deprimerende. 


Om Sam Eyde forsto hvilke forhold han bygget en fabrikk under, vet vi ikke, men folk som flyttet dit, reagerte. Leserinnlegget det siteres fra over, sto på trykk alt i 1913, tidlig i Rjukans historie. Solspeilet ble den gang aldri realisert, men tanken var sådd: Befolkningen behøver lys. Og om lyset ikke kunne komme til dem, kunne kanskje de komme til lyset? I 1928 anla Norsk Hydro i stedet en kabelbane – Krossobanen – fra bunnen av dalen og 500 meter opp til foten av Hardangervidda. Banen ble gitt som en gave til byen for at innbyggerne og arbeiderne skulle kunne få seg litt sårt tiltrengt lys under den lange, mørke vinteren.

Ideen om solspeilet, og om evig lys nede i Rjukan sentrum, døde aldri. Hundre år etter at forslaget ble lansert første gang, ble det plukket opp igjen, og høsten 2013 sto tre gedigne reflektorer klare høyt i åsen. 600 kvadratmeter med varmt og oppmuntrende sollys kan stråles ned i dalens dyp og inn på Rjukan torg. Byen har endelig fått sin vintersol. 


Lenger nord, over polarsirkelen, er folk godt vant til mørketid. Der hjelper det ikke med speil. Vintermørket er uunngåelig, en del av livets syklus, og jo lenger nord vi kommer, desto lenger varer det. «Solfesten» er derfor en viktig merkedag; den dagen solen endelig titter over åsen, fjelltoppen eller horisonten igjen etter å ha vært så lenge borte. Folk hilser den velkommen som den bibelske fortapte sønn, med sang, dans og god mat og drikke.


Og når lyset først er tilbake, kommer det til gangs. Belønningen for en lang, mørk vinter er en sommersesong hvor solen nekter å gå ned. Kanskje er det derfor vi holder ut? Kroppene våre kan ikke lagre lys, men det kan minnene. Og så hjelper det at naturen har plassert en annen kilde til lys nettopp der mørketiden rammer som hardest: Det grønne, blå og røde nordlyset flakker og brenner over nordområdenes vinterhimmel. Egentlig kan nordlyset like gjerne være synlig natt som dag, sommer som vinter, men det er så svakt i forhold til solen at det først er i mørket det kommer til sin fulle rett. 

Lyset og livet. De er så tett forbundet at de nærmest er to sider av samme sak. Bare se på livets historie her på jorden, slik vi forstår den i dag. 


Det er nå fem milliarder år siden solen våknet til live. Da ble trykket og temperaturen i midten av den enorme ballen av hydrogen så ekstreme at atomkjernene ble presset sammen. Gjennom en serie finurlige naturprosesser ble hydrogen gradvis omdannet til helium, samtidig som det ble litt energi til overs. Og energien er i dette tilfellet intet annet enn lys. I fem milliarder år har solen strålt ut i verdensrommet, jevnt og trutt, dag ut og dag inn, og bombardert planeten vår med livgivende energi. 


Planeten jorden er spesiell, i hvert fall i vårt solsystem. Den har en atmosfære som først slipper gjennom litt av sollyset, så overflaten blir varm, men som deretter ikke slipper varmen fullt så lett ut igjen. Varme er også lys, om enn av en type vi ikke kan se. Den fanges opp av drivhusgassene og holdes igjen en stund, omtrent slik klærne våre holder igjen varmen fra huden. På jorden får vi derfor en jevn og god temperatur, i motsetning til for eksempel på månen, som ikke har den samme atmosfæren.


Og i jordens gode og varme atmosfære utviklet det seg liv. Først encellede organismer, så planter, deretter havdyr, dinosaurer, aper, mennesker og nebbdyr. En av de viktigste hendelsene i jordens historie inntraff idet livet lærte seg å utnytte lyset. Fotosyntesen utviklet seg for rundt tre milliarder år siden. Da lærte de encellede dyrene seg å lage sukker, og å lagre det i kroppen til senere bruk. Metoden var å hente karbondioksid fra luften og å slå det sammen med energien i lyset fra solen. Avfallet ble oksygen, som de spyttet ut igjen. Dermed preget de atmosfæren videre – og gjorde den klar for nye former for liv. 


Solen sender oss energi i mange former, men den vi oftest tenker på, er såkalt synlig lys. Gjennom store deler av de fire milliardene år som har gått siden livet først oppsto, har ordet «synlig» manglet betydning, for det fantes ingenting her som kunne «se» lyset. Først for fem hundre millioner år siden utviklet det seg noe vi ville kjenne igjen som et øye. Riktignok hadde en del arter lysfølsomme proteiner lenge før det, men en synssans i moderne betydning har bare eksistert de siste to prosentene av planetens historie. Øyet oppsto i den kambriske eksplosjon, en periode som varte i rundt tyve millioner år, der grunnlaget for vår moderne natur ble lagt. Om vi tar begrepet «livets tre» og tenker oss dagens biologiske arter, familier og slekter som tykke og tynne grener på dette treet, var det i den kambriske eksplosjon at disse grenene vokste ut fra stammen. 


Øyet er en evolusjonsmessig revolusjon. Det lar oss sanse det som er langt unna, enten det er mat, fiender eller en potensiell partner, og reagere deretter. Evnen til å kunne se, fokusere skarpt og skille mellom farger gir mulighet for jakt, kommunikasjon, paringsritualer og mye mer. Men et øye er ikke kostnadsfritt; det er sårbart og må beskyttes. Det må holdes fuktig, og krever ressurser kroppen kunne brukt på andre oppgaver i trange tider. Den eneste grunnen til at utviklingen av øyet har vært hensiktsmessig, er at jordens atmosfære tilfeldigvis slipper gjennom stråling, som dermed ble det «synlige» lyset. Tenk om også lyset ble stanset av luften, slik det meste av solens energi blir. Atmosfæren kunne fortsatt blitt varm, og kanskje ville det ha oppstått liv her likevel, men noen synssans ville vi ikke hatt. Kanskje vi heller hadde utviklet et langt bedre sanseapparat for lyder? Ører over hele hodet? Det er umulig å vite. Det eneste vi vet, er at vi kaller «synlig» lys synlig nettopp fordi vi kan se det – og vi kan se det fordi synssansen er slik en enorm evolusjonær fordel.


Lyset har også vært med på å bestemme hvor fort livet har utviklet seg. Den kambriske eksplosjon kom da den gjorde fordi jorden kastet av seg en ekstra lang istid, med dårlige vilkår for liv. Jordens bane rundt solen endrer seg langsomt gjennom millenniene, både fordi planeten spinner litt skjevt, og fordi de større planetene – som Jupiter og Saturn – trekker i den. Over tid flyttet tilfeldighetene planeten litt nærmere solen, og den ekstra varmen fikk isen til å smelte. Evolusjonen satte seg i høygir, som når krokus og hestehov stikker hodene opp gjennom vårens siste snø, og livet tok sine neste store sprang. 


Og sakte, men sikkert, fem hundre millioner år og flere istider senere, ble vi moderne mennesker til. I løpet av noen hundre år – bare et blunk sammenlignet med livets lange historie – forvandlet vi planeten fra en mørk stein og til den lysende kulen den er i dag. Med en nærmest uendelig kreativitet lærte vi oss å utnytte lyset og alt det kan gjøre. Fra leirbål og fakler som har gitt oss varme og trygghet, til laserlys, fiberoptiske kabler og teknologi som kan forbedre livskvaliteten i et samfunn som er tettere sammenknyttet. Lyset og livet har fortsatt å følge hverandre, nærmest som i symbiose. 


Men sett fra vår synsvinkel var veien fra de første faklene til dagens LED-pærer verken kort eller enkel. For å bruke lyset, og lære av det, var vi også nødt til å forstå hva det egentlig er. Og jakten på lysets natur skulle vise seg å bli både noe av det mest frustrerende og noe av det mest givende vi har gitt oss i kast med. 


Lysets iboende nytteverdi er enorm. Det alene er en god nok grunn til at vi bryr oss om hvordan lyset er skrudd sammen. Men det finnes en til: nysgjerrighet. Lyset er overalt, hele tiden, og vever seg gjennom tilværelsen som en regnbuefarget tråd. Selvsagt har vi lyst til å vite hva det består av, og hvordan det virker. Eller, om vi snur litt på spørsmålet: Forstår vi ikke lyset, klarer vi heller ikke å forstå universet – eller oss selv. Kast et blikk opp på nattehimmelen. Du kan gjette at hver av de lysende prikkene der oppe er en stjerne som vår, men vet du det sikkert? Det ligger mye informasjon gjemt i lyset som stråler ned til oss, men vi kan bare bruke den hvis vi skjønner hva det er der ute som lager lyset. Og da må vi også vite hva lys er for noe. Eller tenk på din egen synssans. Inne i hodet ditt skapes hele tiden bilder av hvordan verden rundt deg «ser ut». Bildene er hjernens tolkning av signalene fra synet, som i tur er elektriske strømmer skapt av lysfølsomme celler i øynene. Et eller annet sted langs veien har det fysiske lyset blitt til et mentalt bilde, og den overgangen er vi langt unna å forstå. Finner vi ut hva lyset er, løser det ikke bevissthetens gåte for oss, men det vil om ikke annet ta oss et lite skritt på veien.



Lyset og nysgjerrigheten


Alt i år 450 f.Kr. finner vi forsøk på å forstå hvor lyset kommer fra og hvordan det fungerer. Da foreslo filosofen Empedokles at lyset kan være noe vi mennesker selv lager og sender ut fra øynene. Han forestilte seg at når vi åpner øynene om morgenen, flommer det et «lysstoff» ut fra dem som begynner å sprette frem og tilbake mellom tak og vegger. Og når stoffet reflekteres tilbake til øynene, «ser» vi rommet rundt oss. Empedokles tenkte videre at lyset reagerer forskjellig når det treffer hvert av antikkens fire elementer: ild, jord, luft og vann. Dette merker øynene, og sånn finner vi ut hva verden rundt oss består av.


Ideen er ikke ueffen. Empedokles mente han kunne bruke den til å forstå både hvorfor lys reflekteres, som i overflaten på et stille fjellvann, og hvorfor det brytes, som når en padleåre stukket ned i det samme fjellvannet ser ut som den får en knekk. Dette er to nyttige egenskaper ved lyset som de kjente godt allerede i antikken, og som de gjerne ville ha en dypere forståelse av. 


Samtidig er ideen fullstendig feil. Dersom lys kom ut av øynene, ville vi sett like godt om natten som om dagen, og Rjukan ville ikke trengt noe solspeil. Empedokles’ tanker lar seg lett stikke hull på, men likevel er de nyttige å ha i bakhodet, for de markerer begynnelsen på den lange reisen nysgjerrigheten på lyset har sendt oss ut på. Den løper gjennom antikken via den vitenskapelige revolusjon og helt frem til vår egen tid, og underveis svinger den innom mange av vitenskapshistoriens aller største navn. Et eksempel på det kom i år 2000, da en stor gruppe fysikere holdt en uformell avstemning for å kåre dem som har gitt størst bidrag til faget gjennom historien. Lysets betydning for naturvitenskapene er tydelig om vi ser hvem som kapret pallplassene: Albert Einstein, Isaac Newton og James Clerk Maxwell. For mye av forskningen disse tre gjennomførte, er fellesnevneren dype og revolusjonerende fremskritt om nettopp lys. 


Isaac Newton regnes ofte som den moderne vitenskapens far. Han var aktiv fra midten av 1600-tallet, da naturfilosofien var midt inne i den vitenskapelige revolusjon og i ferd med etablere gullstandarden vi fremdeles bruker for å skille fakta fra tøv: den vitenskapelige metode. Kort fortalt sier metoden at naturen i sin essens er forutsigbar og kan forstås hvis vi bare jobber hardt nok. Vi kan gjøre eksperimenter, lære av dem, og dessuten beskrive resultatene med naturens eget språk: matematikken.


Det var også lyset som hundre år tidligere hadde utløst den vitenskapelige revolusjon. I 1543 ga Nicolaus Copernicus ut sitt hovedverk De Revolutionibus Orbium Coelestium, eller «Om himmelsirklenes omdreininger», hvor han brukte lyset fra nattehimmelen til å snu opp ned på vår forståelse av solsystemet. Lysprikkenes bevegelse over himmelen, skrev Copernicus, tilsier at planetene må gå i bane rundt solen snarere enn omvendt, slik den katolske kirken hevdet. Boken ble så viktig for historien at den ga oss den moderne betydningen av ordet «revolusjon». Copernicus brukte lyset til å utvikle et nytt verdensbilde. Samtidig etablerte han et vitenskapelig tankesett som satte sluttstrek for å forklare naturen ut fra religiøse tekster. 


Newtons største bidrag til den vitenskapelige revolusjonen var boken Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, fra 1678. Der utvikler han mye av matematikken vi lærer på skolen også i vår tid, og viser hvordan abstrakte ligninger på et ark kan brukes til å forstå virkeligheten. Selv brukte han matematikken til å angripe problemet med hva lys er. Innen 1600-tallet var Empedokles’ tanker om at lyset kommer fra øynene, for lengst erstattet av to andre, konkurrerende teorier. Lys måtte enten være en bølge som brer seg gjennom rommet slik topper av vann duver bortover en vannflate, eller så måtte det være en partikkel – en bitte liten bestanddel av naturen. Begge teoriene er gode, men hvilken er riktig? 


En som argumenterte for bølgeteorien, var filosofen René Descartes, som spurte: Hva om det finnes et stoff rundt oss som er like usynlig som luft, og som vi merker som «lys» når det vibrerer? Slik en fløyte kan få luften til å riste, og dermed lage lyd, kan en flamme få dette usynlige stoffet til å riste, og lage «lys». Lyd og bølger på vann kan begge reflekteres i vegger og bøyes rundt hjørner. Det samme kan lys. Descartes bygget på skriftene til Aristoteles, fra rundt år 350 f.Kr. Aristoteles tenkte seg at lys kunne være en forstyrrelse i elementet luft, som muligens ble skapt idet luften kom i kontakt med elementet ild. Descartes trodde riktignok ikke på grekernes fire elementer, men kalte i stedet det lyset «bølger» gjennom, for «eteren».


Partikkelteorien finner vi for eksempel hos den franske naturfilosofen Pierre Gassendi. Han tenkte seg at naturen dypest sett består av tomrom, uten noen «eter», og at alt som finnes – også lys – er satt sammen av ulike små, udelelige partikler. Lys fra forskjellige kilder, og med forskjellige farger, er ikke annet enn partikler med ulike former og egenskaper. For å skille lys fra atomene, de minste byggesteinene i stoff, kalte Gassendi lyspartiklene for «korpuskler». En flamme, tenkte han, sender ut små flamme-korpuskler. De kan reflekteres av et speil og skifte retning når de går fra ett stoff til et annet, nettopp som vi vet at lys gjør. «Atomismen» var også et ekko fra antikken, og filosofer som Demokrit og Epikur. Slik sett var 1600-tallets debatt om lysets natur bare neste runde i en allerede to tusen år gammel diskusjon.


Når du «ser» bokstavene i denne boken, er det altså ett av to som skjer: Enten bølger informasjonen til deg gjennom en eter, eller så beveger den seg til deg i form av små partikler. Forskjellen virker kanskje akademisk, siden lyset gjør som det gjør enten vi forstår det eller ei, men for naturvitenskapene er det avgjørende å skille dem. Tar vi feil, kan vi bli ledet ned lange og mørke blindgater i forsøkene våre på å forstå naturen. Har vi rett, sitter vi derimot med en nøkkel til å forstå universet. Diskusjonen om hvorvidt lyset er en partikkel eller en bølge, har derfor vært en av vitenskapshistoriens store, klassiske debatter – og frem til 1600-tallet var det i praksis umulig for forskerne å avgjøre hvilken av de to teoriene som var riktig.

Men så kom Isaac Newton. Med matematikken og den vitenskapelige metode i verktøykassa gjorde han et eksperiment som er berømt den dag i dag: Han sendte hvitt lys gjennom et prisme, slik at lyset delte seg opp i alle regnbuens farger. Så satte han et nytt prisme foran regnbuen, og oppdaget at også det motsatte var mulig. Regnbuen lot seg temme og samles tilbake til hvitt lys. Newton mente dette beviste at fargene måtte være egenskaper som lyset allerede hadde i seg, og at «hvitt» lys var en samling av alle fargene på en gang. Den eneste måten dette kunne forklares på, hevdet han, var hvis lys var partikler. En type partikkel for hver farge. Deretter brukte han den nye matematikken sin til å regne ut hvordan partiklene kunne reflekteres, brytes og alt det andre vi vet at lyset kan. 


Riktignok fantes det andre forskere på Newtons tid som støttet bølgeteorien, særlig nederlenderen Christiaan Huygens og engelskmannen Robert Hooke, og også de hadde både eksperimenter og matematikk å vise til. Men av og til er det slik i forskning at den som lever lengst, får sette størst preg på historien, og de var begge så uheldige å dø før Newton. Eksperimentet med prismet ble gjort i 1672, men boken der Newton beskriver det, Opticks, kom – ikke helt tilfeldig – først i 1704. Da hadde Huygens vært død i snart 10 år, og Hooke – Newtons erkerival – var gått bort året i forveien. Selv levde Newton i over 20 år til, og han klarte på den tiden å overbevise verden om at mysteriet var løst. Lys var partikler, og farge bare en egenskap ved dem.


Men dessverre tok Newton feil. Eller i det minste var han litt over­ivrig i tolkningen av det banebrytende eksperimentet sitt. Utover på 1800-tallet våknet bølgeteorien langsomt til live igjen. Neste virkelig store gjennombrudd kom rundt 1850, fra mannen som tok tredjeplassen på listen over berømte fysikere: James Clerk Maxwell. 


 I tillegg til å kunne brytes og reflekteres har lyset en fast hastighet. Det oppdaget dansken Ole Rømer alt i 1672 mens han egentlig studerte lyset fra Jupiters måner for å forsøke å hjelpe sjøfolk med å holde klokkene sine riktig stilt på lange skipsreiser. Banene til Jupiters måner fungerer som et svært nøyaktig urverk, men likevel så Rømer at de ikke beveget seg helt som han forventet. Grunnen viste seg å være at lyset bruker lengre tid på å bevege seg fra Jupiter til jorden når planetene befinner seg på hver sin side av sola enn når de er på samme side, og dermed ligger nærmere hverandre. Lyset viste seg også å bevege seg enormt raskt gjennom verdensrommet, flere hundre tusen kilometer i sekundet, og ingen kunne gi noen god forklaring på hvorfor.


Maxwell jobbet egentlig ikke med lys, men med elektrisitet og magnetisme. Fysikere hadde lenge ment at de var to forskjellige fenomen, men nå hadde flere begynt å legge merke til noe snodig: Elektrisitet så ut til å skape magnetisme, og magnetisme kunne sette i gang elektriske strømmer. Derfor var det blitt foreslått at de to kanskje likevel var to sider av samme sak: «elektromagnetisme», som vi i dag regner som en av de fire naturkreftene. De tre andre er for øvrig tyngdekraften, kjernekraften og «den svake vekselvirkningen», som står for mye av fenomenet radioaktivitet.


Maxwell forsøkte å forstå hvordan en slik elektromagnetisme kunne fungere i praksis. Hvordan kan for eksempel to magneter oppfatte hverandre på avstand? En mulighet er å anta at kraften mellom dem brer seg utover i tomt rom, omtrent som bølger på en vannflate. Høres det kjent ut? Det gjorde det for Maxwell også. Kjenner vi vannets egenskaper, kan vi regne ut hvor fort en bølge vil bre seg langs overflaten. Det samme gjelder hastigheten til lydbølger, som er trykkbølger i luft. Og kjenner vi egenskapene til elektrisitet og magnetisme, noe Maxwell gjorde, kan vi regne ut hvor fort en slik «elektromagnetisk bølge» vil gå. Et av vitenskapens største Eureka-øyeblikk må ha kommet da han satte tallene inn i regnestykket sitt og kom frem til akkurat den hastigheten han visste at lyset hadde. Lys og elektromagnetisme måtte rett og slett være det samme! 


Maxwell greide å slå sammen forståelsen av lys, elektrisitet og magnetisme og pakke den inn i et matematisk rammeverk som kalles Maxwells ligninger. De brukes fremdeles i teknologibedrifter verden over, og er blant ingeniørers og forskeres beste venner fordi de så perfekt beskriver oppførselen til alle tre fenomenene. Når lys skapes i en lampe, er det både et elektrisk og et magnetisk fenomen. Når øynene dine «ser» dette lyset, er det fordi du har celler i øynene som kan fange opp nettopp slik elektrisitet og magnetisme. Og når du holder to kjøleskapsmagneter mot hverandre, slik at de enten trekkes sammen eller støtes vekk fra hverandre, er det – i ytterste konsekvens – lys som utveksles mellom de to. Lys er bæreren av én av de fire naturkreftene. 


Hva så med fargene, som Newton forklarte som «en farge, en partikkel»? I første omgang kan de i stedet tolkes som bølger av ulik lengde. Rødt lys er elektromagnetiske bølger der avstanden mellom bølgetoppene er rundt 650 nanometer – eller 650 milliard-deler av en meter. Grønt lys har bølgelengde på rundt 550 nanometer, blått har 450. (Og fargene rosa og brun burde ikke finnes, for de har ingen egen bølgelengde, men det problemet lar vi ligge til neste kapittel.)


Men hva med bølger som er kortere eller lengre enn det øynene våre kan fange opp? Her er det Maxwells nyvinning virkelig får universet til å åpne seg. Synlig lys er bare et spesialtilfelle av et mye større fenomen. Elektromagnetisk stråling omfatter også radiobølger (som dem som drev det gamle FM-nettet), mikrobølger (som vi varmer mat med, og som dessuten brukes av mobiltelefoner), infrarød og ultrafiolett stråling (henholdsvis mest kjent som varmestråling og det usynlige sollyset som gjør oss brune), røntgen (som vi tar bilder av skjelettet med) og gammastråler (som gjorde Bruce Banner om til Hulken – i hvert fall i Stan Lees tegneserieunivers). 


Hvert av disse naturfenomenene kunne fått en bok for seg selv. I denne boken skal vi stort sett møte synlig lys, men vi kommer innom de andre typene ved ønske eller behov. De er tross alt det synlige lysets slekt og venner, bedre kjent som det elektromagnetiske spekteret, og av og til er familien viktig for å finne ut hvem man er. 



Lyset og mysteriene


Herfra ville lysets historie vært bare fryd og gamma, om det ikke var for førstemann på listen over berømte fysikere: Albert Einstein. For når Maxwells bølgebeskrivelse fungerer så godt, kan vel ikke lys være en partikkel likevel? Tja. Naturen har en tendens til å være litt infam. Vi studerer den, eksperimenterer med den og bygger oss etter hvert opp en forståelse av hvordan den virker. Alt ser greit ut. Alt stemmer. Alt, bortsett fra en liten, plagsom detalj. En puslespillbit som plent nekter å passe inn i det store bildet. Og når vi går tett inn på denne djevelen av en detalj, faller byggverket brått sammen, og under det hele finner vi et nytt nivå av virkeligheten. Vi må begynne på nytt, med utgangspunkt i dette nye. Studere, eksperimentere, snu og vende på vante forestillinger og håpe at vi kan bygge opp en ny og bedre forståelse. Det er nettopp dette som gjør naturvitenskap så spennende. Vi forstår mer og mer, men kommer kanskje aldri til «kjernen».


Forståelsen av naturens minste bestanddeler har fulgt akkurat en slik utvikling. Sent på 1800-tallet kjente vitenskapen til en rekke grunnstoff, som hydrogen, helium, oksygen og karbon. Kjemikerne antok at til hvert av dem hørte det ett atom – en minste, udelelig bygge­stein. Men så, tidlig på 1900-tallet, sprakk atomet. Fysikerne fant elektronet, en byggestein som ikke passet inn i tabellen over atomer. Etter hvert fant de også atomkjernen, en tung klump inne i midten av atomene. Kanskje verden ikke besto av atomer, men av atomkjerner og elektroner? Men ikke lenge etter sprakk også atomkjernen og viste seg å bestå av to andre typer partikler: protoner og nøytroner. En stund mente man derfor at alt var satt sammen av disse tre: protoner, nøytroner og elektroner. Men jammen sprakk protonene og nøytronene også. De er satt sammen av kvarker og gluoner, to enda mer grunnleggende partikler. Der står vi i dag, men ingen vil våge å vedde på at vi har kommet til bunns. Det vi derimot vet, er at det i hver enkelt av disse overgangene er nettopp en sånn liten infam detalj som har fått virkelighetsbildet til å sprekke. En liten bit kunnskap har ikke passet overens med helheten, og til slutt veltet hele lasset. Og hvor, mon tro, er lyset i dette bildet?

Albert Einsteins bidrag til forståelsen vår av lyset var nettopp å bruke en slik djevelsk detalj til å velte det elektromagnetiske lasset. Og med det tok han lyset – og fysikken – inn i det 20. århundre, da de virkelig store mysteriene i naturen ble avslørt.


Tenk deg at du tenner en fyrstikk. Du lar den flamme og blafre litt før du blåser den ut. Etterpå kan du se hvordan det forkullede treverket gløder med et rød-oransje lys. Som Maxwell nettopp har lært oss, er det fordi noe i treverket sender ut elektromagnetiske bølger, med bølgelengder som passer med det øynene våre kan se. Men hvis vi bruker matematikken bak elektromagnetismen til å forsøke å forstå hva som foregår, og slår denne innsikten sammen med resten av fysikken som var kjent rundt år 1900, vil vi komme frem til for­uroligende konklusjoner. Den lille gloen burde sende ut uendelig med energi. En enkel fyrstikk burde vært like dødelig som en atombombe på nært hold – hvis forståelsen vår av lys var riktig. Noe den derfor opplagt ikke var. 


Løsningen på problemet kom i første omgang fra tyskeren Max Planck. Han foreslo at lyset kanskje ikke sendes jevnt ut fra fyrstikken, men heller i små pakker – kvanter, som de senere ble kalt. Omtrent som når vi legger øyet tett inntil en TV og ser at bildet på skjermen ikke er jevnt, men består av små prikker med hver sin farge. Når Planck «kvantiserte» den elektromagnetiske strålingen, som et matematisk triks i ligningene, forsvant problemet med atom-fyrstikkene. Snedig – men Planck selv trodde ikke at det kunne ha noen rot i fysisk virkelighet. 


Det gjorde derimot Albert Einstein. Hans talent lå i å tenke utenfor boksen – til tider veldig langt utenfor – og ta med ny forståelse av naturen tilbake. Plancks kvanter, foreslo Einstein i en banebrytende artikkel i 1905, er ikke bare måten lyset sendes ut fra fyrstikken på. De er lys. Partikler à la dem Newton foreslo, som – under andre forhold – også kan oppføre seg som Maxwells elektromagnetiske bølger. Lyspartikler, eller fotoner. Og med det er vi fremme ved dagens forståelse av lys: Det er verken bølge eller partikkel, men noe nytt og annerledes som har egenskapene til begge. En salomonisk løsning på den store debatten, sammensatt av delene av gamle, døde teorier og gitt liv i et lynnedslag av genial innsikt. Et PlanckEinsteins monster, om du vil, som siden har herjet gjennom fysikken og skremt mang en ung student.


Denne såkalte bølge-partikkel-dualiteten hos lyset – som vi senere har utvidet til også å gjelde alle de andre naturens minste byggesteiner – er en av de mest grunnleggende sannheter vi kjenner. Nysgjerrigheten på lyset har ledet oss frem til oppdagelser, forståelse, teknologi og filosofi. Kvantenes merkelige verden er i dag mye rikere enn hva Planck og Einstein så for seg. Sammen med relativitetsteorien er kvantefysikken en av vitenskapens mest omveltende forklaringer, og begge det 20. århundrets to store gjennombrudd i fysikk begynte med lys – i likhet med den vitenskapelige revolusjonen selv.


I dag vet vi godt hvordan lyset opptrer. Vi kan plukke de fleste lysfenomen fra hverandre, se hva de består i, og skjønne hvordan de oppstår. Alt med utgangspunkt i elektromagnetisk stråling, fotoner, og andre små glimt av fysikk og kjemi. Det er prosjektet for resten av denne boken. Vi skal innom et hopetall av lysets egenskaper og forkledninger, studere dem på flere nivåer, og forhåpentligvis lære noe om både naturen og oss selv.


Men samtidig må vi ikke bli overmodige. Har du noen gang sett et foton? På sett og vis ja; det er nettopp det du gjør nå når du leser disse ordene. Men med mindre du er vår neste Einstein, hadde du neppe klart å tenke deg frem til hva som skjer på mikronivå inne i øyet ditt. Ikke jeg heller. For å låne Newtons ord: Vi står på skuldrene til kjemper og ser derfor litt lenger enn dem som kom før oss. Men hva vi ser og forstår, er også formet av hva de før oss har tenkt. At Newtons partikkelteori kunne dominere fysikken i hundre år, var i stor grad fordi Newton var så heldig å overleve kritikerne sine. Vi håper og tror at dagens forståelse er robust og vil bestå helt til menneskeheten en gang seiler med lyset vekk fra jorden og ut mot andre stjerner – men vi vet ikke. Verden er i evig forandring, både vitenskapen, samfunnet og jorden vi bor på. Lyset er en uforanderlig naturkraft, men vår forståelse av lyset er det ikke. Når vi nå skal gi oss i kast med alle lysets fascinerende aspekter og avskygninger i naturen, er det derfor viktig å ha i mente ikke bare hva vi mener at lyset er, men også hvordan vi har kommet frem til at det er sånn. For de djevelske detaljenes tid er langt fra forbi.