Kā gaiši ceļo?

Jautājums par to, kā gaisma pārvietojas kosmosā, ir viens no daudzgadīgajiem fizikas noslēpumiem. Mūsdienu skaidrojumos tā ir viļņu parādība, kurai nav nepieciešams barotne, caur kuru izplatīties. Saskaņā ar kvantu teoriju tas zināmos apstākļos darbojas arī kā daļiņu kolekcija. Lai gan lielākajā daļā makroskopisko mērķu tā uzvedību var aprakstīt, uzskatot to par vilni un pielietojot viļņu mehānikas principus, lai aprakstītu tā kustību.

Skotu fiziķis Džeimss Klerks Maksvels 1800. gadu vidū noteica, ka gaisma ir elektromagnētiskās enerģijas forma, kas pārvietojas viļņos. Jautājums par to, kā tas izdodas, ja nav nesēja, ir izskaidrojams ar elektromagnētisko vibrāciju būtību. Kad uzlādēta daļiņa vibrē, tā rada elektrisko vibrāciju, kas automātiski izraisa magnētisko - fiziķi bieži vizualizē šīs vibrācijas, kas notiek perpendikulārās plaknēs. Pāris svārstības izplatās uz āru no avota; to vadīšanai nav nepieciešama neviena vide, izņemot elektromagnētisko lauku, kas caurstrāvo Visumu.

Kad elektromagnētiskais avots rada gaismu, gaisma virzās uz āru kā virkne koncentrisku sfēru, kas izvietotas atbilstoši avota vibrācijai. Gaisma vienmēr iet īsāko ceļu starp avotu un galamērķi. Līniju, kas novilkta no avota līdz galamērķim, perpendikulāra viļņu frontēm, sauc par staru. Tālu no avota sfērisko viļņu frontes deģenerējas par paralēlu līniju virkni, kas virzās stara virzienā. Viņu atstatums nosaka gaismas viļņa garumu, un šādu līniju skaits, kas iet caur noteiktu punktu noteiktā laika vienībā, nosaka frekvenci.

Gaismas avota vibrācijas frekvence nosaka iegūtā starojuma biežumu un viļņa garumu. Tas tieši ietekmē viļņu pakešu enerģiju - vai viļņu plīsumu, kas pārvietojas kā vienība - saskaņā ar attiecībām, kuras fiziķis Makss Planks izveidoja 1900. gadu sākumā. Ja gaisma ir redzama, vibrāciju biežums nosaka krāsu. Gaismas ātrumu vibrācijas frekvence tomēr neietekmē. Vakuumā tas vienmēr ir 299 792 kilometri sekundē (186, 282 jūdzes sekundē), kuru vērtība apzīmē ar burts "c". Saskaņā ar Einšteina relativitātes teoriju, nekas Visumā ceļo ātrāk nekā šo.

Gaisma barotnē pārvietojas lēnāk nekā vakuumā, un ātrums ir proporcionāls barotnes blīvumam. Šī ātruma variācija liek gaismai saliekties divu barotņu saskarnē - fenomenu sauc par refrakciju. Liekuma leņķis ir atkarīgs no abu barotņu blīvuma un krītošās gaismas viļņa garuma. Kad gaisma, kas nonāk caurspīdīgā vidē, sastāv no dažāda viļņa garuma viļņu frontēm, katra viļņu fronte noliecas citā leņķī, un rezultāts ir varavīksne.