Bagaimana Perjalanan Cahaya?

Pertanyaan tentang bagaimana cahaya bergerak melalui ruang adalah salah satu misteri abadi fisika. Dalam penjelasan modern, ini adalah fenomena gelombang yang tidak membutuhkan media untuk merambat. Menurut teori kuantum, ia juga berperilaku sebagai kumpulan partikel dalam keadaan tertentu. Namun, untuk sebagian besar tujuan makroskopik, perilakunya dapat digambarkan dengan memperlakukannya sebagai gelombang dan menerapkan prinsip-prinsip mekanika gelombang untuk menggambarkan gerakannya.

Pada pertengahan 1800-an, fisikawan Skotlandia James Clerk Maxwell menetapkan bahwa cahaya adalah bentuk energi elektromagnetik yang bergerak dalam gelombang. Pertanyaan tentang bagaimana ia berhasil melakukannya tanpa adanya media dijelaskan oleh sifat getaran elektromagnetik. Ketika partikel bermuatan bergetar, ia menghasilkan getaran listrik yang secara otomatis menginduksi getaran magnetik -- fisikawan sering memvisualisasikan getaran ini terjadi pada bidang tegak lurus. Osilasi berpasangan merambat keluar dari sumbernya; tidak ada medium, kecuali medan elektromagnetik yang menembus alam semesta, yang diperlukan untuk menghantarkannya.

Ketika sumber elektromagnetik menghasilkan cahaya, cahaya bergerak ke luar sebagai serangkaian bola konsentris yang berjarak sesuai dengan getaran sumber. Cahaya selalu mengambil jalur terpendek antara sumber dan tujuan. Garis yang ditarik dari sumber ke tujuan, tegak lurus dengan muka gelombang, disebut sinar. Jauh dari sumbernya, muka gelombang berbentuk bola berdegenerasi menjadi serangkaian garis paralel yang bergerak ke arah sinar. Jaraknya menentukan panjang gelombang cahaya, dan jumlah garis yang melewati titik tertentu dalam satuan waktu tertentu menentukan frekuensi.

Frekuensi sumber cahaya bergetar menentukan frekuensi - dan panjang gelombang - radiasi yang dihasilkan. Ini secara langsung mempengaruhi energi paket gelombang -- atau semburan gelombang yang bergerak sebagai satu unit -- menurut hubungan yang dibuat oleh fisikawan Max Planck pada awal 1900-an. Jika cahaya terlihat, frekuensi getaran menentukan warna. Namun, kecepatan cahaya tidak dipengaruhi oleh frekuensi getaran. Dalam ruang hampa, selalu 299.792 kilometer per detik (186.282 mil per detik), nilai yang dilambangkan dengan huruf "c". Menurut Teori Relativitas Einstein, tidak ada sesuatu pun di alam semesta yang bergerak lebih cepat dari ini.

Cahaya merambat lebih lambat dalam medium daripada di ruang hampa, dan kecepatannya sebanding dengan kerapatan medium. Variasi kecepatan ini menyebabkan cahaya membelok pada antarmuka dua media -- sebuah fenomena yang disebut pembiasan. Sudut di mana ia menekuk tergantung pada kepadatan dua media dan panjang gelombang cahaya datang. Ketika cahaya datang pada medium transparan terdiri dari muka gelombang dengan panjang gelombang yang berbeda, setiap muka gelombang dibelokkan pada sudut yang berbeda, dan hasilnya adalah pelangi.