Hvordan rejser lys?

Spørgsmålet om, hvordan lys bevæger sig gennem rummet, er et af fysikkens flerårige mysterier. I moderne forklaringer er det et bølgefænomen, der ikke har brug for et medium, som det kan propagere igennem. Ifølge kvanteteorien opfører den sig også som en samling partikler under visse omstændigheder. For de fleste makroskopiske formål kan dens adfærd imidlertid beskrives ved at behandle den som en bølge og anvende principperne for bølgemekanik til at beskrive dens bevægelse.

I midten af ​​1800'erne fastslog den skotske fysiker James Clerk Maxwell, at lys er en form for elektromagnetisk energi, der bevæger sig i bølger. Spørgsmålet om, hvordan det lykkes at gøre det i fravær af et medium, forklares af arten af ​​elektromagnetiske vibrationer. Når en ladet partikel vibrerer, frembringer den en elektrisk vibration, der automatisk inducerer en magnetisk - fysikere visualiserer ofte disse vibrationer, der forekommer i vinkelrette plan. De parrede svingninger spredes udad fra kilden; intet medium, bortset fra det elektromagnetiske felt, der gennemsyrer universet, kræves for at lede dem.

Når en elektromagnetisk kilde genererer lys, bevæger lyset sig udad som en række koncentriske sfærer fordelt i overensstemmelse med kildens vibrationer. Lys tager altid den korteste vej mellem en kilde og destination. En linje trukket fra kilden til destinationen, vinkelret på bølgefronterne, kaldes en stråle. Langt fra kilden degenererer sfæriske bølgefronter til en række parallelle linjer, der bevæger sig i retning af strålen. Deres afstand definerer lysets bølgelængde, og antallet af sådanne linjer, der passerer et givet punkt i en given tidsenhed, definerer frekvensen.

Frekvensen, hvormed en lyskilde vibrerer, bestemmer frekvensen - og bølgelængden - af den resulterende stråling. Dette påvirker direkte bølgepakkens energi - eller bølgebryst, der bevæger sig som en enhed - ifølge et forhold etableret af fysiker Max Planck i begyndelsen af ​​1900'erne. Hvis lyset er synligt, bestemmer vibrationsfrekvensen farve. Lysets hastighed påvirkes dog ikke af vibrationsfrekvensen. I vakuum er det altid 299.792 kilometer i sekundet (186, 282 miles i sekundet), en værdi betegnet med bogstavet "c." Ifølge Einsteins relativitetsteori rejser intet i universet hurtigere end det her.

Lys bevæger sig langsommere i et medium, end det gør i vakuum, og hastigheden er proportional med densiteten af ​​mediet. Denne hastighedsvariation får lys til at bøje sig ved grænsefladen mellem to medier - et fænomen kaldet brydning. Den vinkel, hvormed den bøjes, afhænger af tætheden af ​​de to medier og bølgelængden af ​​det indfaldende lys. Når lys, der falder ind på et gennemsigtigt medium, består af bølgefronter med forskellige bølgelængder, bøjer hver bølgefront i en anden vinkel, og resultatet er en regnbue.