Innehåll
Frågan om hur ljus reser genom rymden är ett av fysikens fleråriga mysterier. I moderna förklaringar är det ett vågfenomen som inte behöver ett medium för att sprida sig. Enligt kvantteorin fungerar den också som en samling av partiklar under vissa omständigheter. För de flesta makroskopiska ändamål kan dock dess beteende beskrivas genom att behandla den som en våg och tillämpa principerna för vågmekanik för att beskriva dess rörelse.
Elektromagnetiska vibrationer
I mitten av 1800-talet konstaterade den skotska fysikern James Clerk Maxwell att ljus är en form av elektromagnetisk energi som rör sig i vågor. Frågan om hur den lyckas göra det i frånvaro av ett medium förklaras av arten av elektromagnetiska vibrationer. När en laddad partikel vibrerar producerar den en elektrisk vibration som automatiskt inducerar en magnetisk - fysiker visualiserar ofta dessa vibrationer som uppträder i vinkelräta plan. De parade svängningarna sprider sig utåt från källan; inget medium, förutom det elektromagnetiska fältet som genomsyrar universum, krävs för att leda dem.
En ljusstråle
När en elektromagnetisk källa genererar ljus, rör sig ljuset utåt som en serie koncentriska sfärer med avstånd från varandra i enlighet med källans vibration. Ljus tar alltid den kortaste vägen mellan en källa och destination. En linje som dras från källan till destinationen, vinkelrätt mot vågfronterna, kallas en stråle. Långt ifrån källan degenererar sfäriska vågfronter till en serie parallella linjer som rör sig i strålens riktning. Deras avstånd definierar ljusets våglängd, och antalet sådana linjer som passerar en given punkt i en given tidsenhet definierar frekvensen.
Ljusets hastighet
Frekvensen med vilken en ljuskälla vibrerar bestämmer frekvensen - och våglängden - för den resulterande strålningen. Detta påverkar direkt energin i vågpaketet - eller vågen som rör sig som en enhet - enligt ett förhållande som fysikern Max Planck etablerade i början av 1900-talet. Om ljuset är synligt bestämmer vibrationsfrekvensen färg. Ljushastigheten påverkas emellertid inte av vibrationsfrekvensen. I ett vakuum är det alltid 299,792 kilometer per sekund (186, 282 miles per sekund), ett värde betecknat med bokstaven "c." Enligt Einsteins relativitetsteori reser ingenting i universum snabbare än detta.
Refraktion och regnbågar
Ljus rör sig långsammare i ett medium än i vakuum, och hastigheten står i proportion till densitet för mediet. Denna hastighetsvariation gör att ljuset böjs vid gränssnittet mellan två media - ett fenomen som kallas brytning. Vinkeln vid vilken den böjer beror på tätheten hos de två medierna och våglängden för det infallande ljuset. När ljus som infaller på ett transparent medium är sammansatt av vågfronter med olika våglängder, böjs varje vågfront i en annan vinkel, och resultatet är en regnbåge.