De vraag hoe licht door de ruimte reist, is een van de eeuwige mysteries van de natuurkunde. In moderne verklaringen is het een golfverschijnsel dat geen medium nodig heeft om zich door voort te planten. Volgens de kwantumtheorie gedraagt het zich onder bepaalde omstandigheden ook als een verzameling deeltjes. Voor de meeste macroscopische doeleinden kan zijn gedrag echter worden beschreven door het als een golf te behandelen en de principes van golfmechanica toe te passen om zijn beweging te beschrijven.
Elektromagnetische trillingen
Halverwege de 19e eeuw stelde de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell vast dat licht een vorm van elektromagnetische energie is die zich in golven voortplant. De vraag hoe het dat voor elkaar krijgt als er geen medium is, wordt verklaard door de aard van elektromagnetische trillingen. Wanneer een geladen deeltje trilt, produceert het een elektrische trilling die automatisch een magnetische induceert - natuurkundigen visualiseren deze trillingen vaak in loodrechte vlakken. De gepaarde oscillaties planten zich vanaf de bron naar buiten voort; geen enkel medium, behalve het elektromagnetische veld dat het universum doordringt, is nodig om ze te geleiden.
Een lichtstraal
Wanneer een elektromagnetische bron licht genereert, reist het licht naar buiten als een reeks concentrische bollen die op afstand van elkaar zijn geplaatst in overeenstemming met de trilling van de bron. Licht neemt altijd de kortste weg tussen bron en bestemming. Een lijn getrokken van de bron naar de bestemming, loodrecht op de golffronten, wordt een straal genoemd. Ver van de bron degenereren sferische golffronten in een reeks parallelle lijnen die in de richting van de straal bewegen. Hun onderlinge afstand definieert de golflengte van het licht, en het aantal van dergelijke lijnen dat een bepaald punt in een bepaalde tijdseenheid passeert, bepaalt de frequentie.
De snelheid van het licht
De frequentie waarmee een lichtbron trilt, bepaalt de frequentie - en golflengte - van de resulterende straling. Dit heeft rechtstreeks invloed op de energie van het golfpakket - of uitbarsting van golven die als een eenheid bewegen - volgens een relatie die aan het begin van de 20e eeuw door natuurkundige Max Planck is vastgesteld. Als het licht zichtbaar is, bepaalt de trillingsfrequentie de kleur. De lichtsnelheid wordt echter niet beïnvloed door de trillingsfrequentie. In een vacuüm is het altijd 299.792 kilometer per seconde (186.282 mijl per seconde), een waarde die wordt aangeduid met de letter "c". Volgens de relativiteitstheorie van Einstein reist niets in het universum sneller dan dit.
Breking en regenbogen
Licht reist langzamer in een medium dan in een vacuüm, en de snelheid is evenredig met de dichtheid van het medium. Deze snelheidsvariatie zorgt ervoor dat licht buigt op het grensvlak van twee media - een fenomeen dat breking wordt genoemd. De hoek waaronder het buigt hangt af van de dichtheden van de twee media en de golflengte van het invallende licht. Wanneer licht dat op een transparant medium valt, is samengesteld uit golffronten met verschillende golflengten, buigt elk golffront onder een andere hoek en het resultaat is een regenboog.