Come viaggia la luce?

La domanda su come la luce viaggi nello spazio è uno dei misteri perenni della fisica. Nelle spiegazioni moderne, è un fenomeno ondulatorio che non ha bisogno di un mezzo attraverso il quale propagarsi. Secondo la teoria quantistica, in determinate circostanze si comporta anche come un insieme di particelle. Per la maggior parte degli scopi macroscopici, tuttavia, il suo comportamento può essere descritto trattandolo come un'onda e applicando i principi della meccanica ondulatoria per descriverne il movimento.

A metà del 1800, il fisico scozzese James Clerk Maxwell stabilì che la luce è una forma di energia elettromagnetica che viaggia in onde. La questione di come riesca a farlo in assenza di un mezzo è spiegata dalla natura delle vibrazioni elettromagnetiche. Quando una particella carica vibra, produce una vibrazione elettrica che ne induce automaticamente una magnetica: i fisici spesso visualizzano queste vibrazioni che si verificano su piani perpendicolari. Le oscillazioni accoppiate si propagano verso l'esterno dalla sorgente; nessun mezzo, ad eccezione del campo elettromagnetico che permea l'universo, è necessario per condurli.

Quando una sorgente elettromagnetica genera luce, la luce viaggia verso l'esterno come una serie di sfere concentriche distanziate secondo la vibrazione della sorgente. La luce prende sempre il percorso più breve tra una sorgente e una destinazione. Una linea tracciata dalla sorgente alla destinazione, perpendicolare ai fronti d'onda, si chiama raggio. Lontani dalla sorgente, i fronti d'onda sferici degenerano in una serie di linee parallele che si muovono nella direzione del raggio. La loro spaziatura definisce la lunghezza d'onda della luce e il numero di tali linee che passano un dato punto in una data unità di tempo definisce la frequenza.

La frequenza con cui vibra una sorgente luminosa determina la frequenza - e la lunghezza d'onda - della radiazione risultante. Questo influenza direttamente l'energia del pacchetto d'onde - o scoppio di onde che si muovono come un'unità - secondo una relazione stabilita dal fisico Max Planck nei primi anni del 1900. Se la luce è visibile, la frequenza della vibrazione determina il colore. Tuttavia, la velocità della luce non è influenzata dalla frequenza vibrazionale. Nel vuoto, è sempre 299.792 chilometri al secondo (186.282 miglia al secondo), un valore indicato da la lettera "c." Secondo la teoria della relatività di Einstein, niente nell'universo viaggia più veloce di faster Questo.

La luce viaggia più lentamente in un mezzo che nel vuoto e la velocità è proporzionale alla densità del mezzo. Questa variazione di velocità fa piegare la luce all'interfaccia di due mezzi, un fenomeno chiamato rifrazione. L'angolo con cui si piega dipende dalle densità dei due mezzi e dalla lunghezza d'onda della luce incidente. Quando la luce incidente su un mezzo trasparente è composta da fronti d'onda di diverse lunghezze d'onda, ogni fronte d'onda si piega con un angolo diverso e il risultato è un arcobaleno.