איך אור נוסע?

השאלה כיצד האור עובר בחלל היא אחת המסתורין הרב-שנתי של הפיזיקה. בהסברים מודרניים זו תופעת גל שאינה זקוקה למדיום שדרכו יתפשט. על פי תורת הקוונטים, הוא גם מתנהג כאוסף של חלקיקים בנסיבות מסוימות. אך לרוב המטרות המקרוסקופיות ניתן לתאר את התנהגותו על ידי התייחסות אליו כאל גל והחלת עקרונות מכניקת הגל לתיאור תנועתו.

באמצע המאה העשרים קבע הפיזיקאי הסקוטי ג'יימס פקיד מקסוול כי האור הוא סוג של אנרגיה אלקטרומגנטית שעוברת בגלים. השאלה כיצד היא מצליחה לעשות זאת בהיעדר מדיום מוסברת על ידי אופי התנודות האלקטרומגנטיות. כאשר חלקיק טעון רוטט, הוא מייצר רטט חשמלי המניע באופן אוטומטי אחד מגנטי - פיסיקאים לעיתים קרובות מדמיינים את התנודות הללו המתרחשות במישורים בניצב. התנודות הזוגיות מתפשטות החוצה מהמקור; שום מדיום, למעט השדה האלקטרומגנטי המחלחל ליקום, אינו נדרש להוביל אותם.

כאשר מקור אלקטרומגנטי מייצר אור, האור נע החוצה כסדרה של תחומים קונצנטריים המרווחים בהתאם לרטט המקור. אור תמיד לוקח את הדרך הקצרה ביותר בין מקור ליעד. קו הנמתח מהמקור ליעד, בניצב לחזיתות הגל, נקרא קרן. הרחק מהמקור, חזיתות הגל הכדוריות מתנוונות לסדרת קווים מקבילים הנעים לכיוון הקרן. המרווח שלהם מגדיר את אורך הגל של האור, ומספר הקווים כאלה שעוברים נקודה נתונה ביחידת זמן נתונה מגדיר את התדר.

התדירות בה רטט מקור האור קובעת את התדר - ואת אורך הגל - של הקרינה שהתקבלה. זה משפיע ישירות על האנרגיה של חבילת הגלים - או על פרץ הגלים הנעים כיחידה - על פי מערכת יחסים שהקימה הפיזיקאי מקס פלאנק בראשית המאה העשרים. אם האור נראה לעין, תדירות הרטט קובעת את הצבע. מהירות האור אינה מושפעת מתדירות הרטט. בוואקום, זה תמיד 299,792 ק"מ לשנייה (186, 282 מייל לשנייה), ערך המסומן על ידי האות "ג." על פי תורת היחסות של איינשטיין, שום דבר ביקום לא נע מהר יותר מאשר זֶה.

האור נע לאט יותר במדיום מאשר בוואקום, והמהירות פרופורציונאלית לצפיפות המדיום. וריאציה מהירה זו גורמת לאור להתכופף בממשק של שני מדיות - תופעה הנקראת שבירה. הזווית בה היא מתכופפת תלויה בצפיפותם של שני המדיות ובאורך הגל של האור הנפל. כאשר אור הפוגע במדיום שקוף מורכב מחזיתות גל באורכי גל שונים, כל חזית גל מתכופפת בזווית אחרת, והתוצאה היא קשת.