Întrebarea cum călătorește lumina prin spațiu este unul dintre misterele perene ale fizicii. În explicațiile moderne, este un fenomen de undă care nu are nevoie de un mediu prin care să se propage. Conform teoriei cuantice, se comportă și ca o colecție de particule în anumite circumstanțe. În cele mai multe scopuri macroscopice, totuși, comportamentul său poate fi descris tratându-l ca pe o undă și aplicând principiile mecanicii undelor pentru a descrie mișcarea acesteia.
Vibrații electromagnetice
La mijlocul anilor 1800, fizicianul scoțian James Clerk Maxwell a stabilit că lumina este o formă de energie electromagnetică care se deplasează în unde. Întrebarea cum reușește să facă acest lucru în absența unui mediu se explică prin natura vibrațiilor electromagnetice. Când o particulă încărcată vibrează, produce o vibrație electrică care o induce automat pe una magnetică - fizicienii vizualizează adesea aceste vibrații care apar în planuri perpendiculare. Oscilațiile pereche se propagă spre exterior de la sursă; niciun mediu, cu excepția câmpului electromagnetic care pătrunde universul, nu este necesar pentru a le conduce.
O rază de lumină
Când o sursă electromagnetică generează lumină, lumina se deplasează spre exterior ca o serie de sfere concentrice distanțate în conformitate cu vibrația sursei. Lumina ia întotdeauna cea mai scurtă cale între sursă și destinație. O linie trasată de la sursă la destinație, perpendiculară pe fronturile de undă, se numește rază. Departe de sursă, fronturile de undă sferice degenerează într-o serie de linii paralele care se mișcă în direcția razei. Distanța lor definește lungimea de undă a luminii, iar numărul de astfel de linii care trec un punct dat într-o unitate de timp dată definește frecvența.
Viteza luminii
Frecvența cu care vibrează o sursă de lumină determină frecvența - și lungimea de undă - a radiației rezultate. Acest lucru afectează în mod direct energia pachetului de unde - sau explozia de unde care se mișcă ca unitate - conform unei relații stabilite de fizicianul Max Planck la începutul anilor 1900. Dacă lumina este vizibilă, frecvența vibrațiilor determină culoarea. Cu toate acestea, viteza luminii nu este afectată de frecvența vibrațională. În vid, este întotdeauna 299.792 kilometri pe secundă (186, 282 mile pe secundă), o valoare notată cu litera „c”. Conform teoriei relativității a lui Einstein, nimic în univers nu călătorește mai repede decât acest.
Refracție și curcubee
Lumina se deplasează mai lent într-un mediu decât în vid, iar viteza este proporțională cu densitatea mediului. Această variație a vitezei face ca lumina să se îndoaie la interfața a două medii - un fenomen numit refracție. Unghiul la care se îndoaie depinde de densitățile celor două medii și de lungimea de undă a luminii incidente. Când lumina incidentă pe un mediu transparent este compusă din fronturi de undă de lungimi de undă diferite, fiecare front de undă se îndoaie la un unghi diferit, iar rezultatul este un curcubeu.