Ako cestuje svetlo?

Otázka, ako svetlo cestuje vesmírom, je jednou z trvalých záhad fyziky. V moderných vysvetleniach ide o vlnový jav, ktorý nepotrebuje médium, cez ktoré by sa mohol šíriť. Podľa kvantovej teórie sa za určitých okolností správa aj ako súbor častíc. Pre väčšinu makroskopických účelov však možno jeho správanie opísať tak, že sa s ním zaobchádza ako s vlnou a na jeho pohyb sa použijú princípy vlnovej mechaniky.

V polovici 19. storočia škótsky fyzik James Clerk Maxwell zistil, že svetlo je forma elektromagnetickej energie, ktorá sa šíri vo vlnách. Otázka, ako to dokáže pri absencii média, sa vysvetľuje povahou elektromagnetických vibrácií. Keď nabitá častica vibruje, produkuje elektrické vibrácie, ktoré automaticky indukujú magnetické - fyzici tieto vibrácie vyskytujúce sa v kolmých rovinách často vizualizujú. Spárované oscilácie sa šíria smerom von od zdroja; na ich vedenie nie je potrebné žiadne médium, okrem elektromagnetického poľa, ktoré preniká vesmírom.

Keď elektromagnetický zdroj generuje svetlo, svetlo cestuje smerom von ako rad sústredných gúľ rozmiestnených v súlade s vibráciami zdroja. Svetlo vždy vedie najkratšou cestou medzi zdrojom a cieľom. Čiara vedená od zdroja k cieľu, kolmá na čelné strany vĺn, sa nazýva lúč. Ďaleko od zdroja sa sférické vlnové fronty degenerujú do série rovnobežných línií pohybujúcich sa v smere lúča. Ich rozstup definuje vlnovú dĺžku svetla a počet takých čiar, ktoré prechádzajú daným bodom v danej časovej jednotke, určuje frekvenciu.

Frekvencia, s ktorou vibruje svetelný zdroj, určuje frekvenciu - a vlnovú dĺžku - výsledného žiarenia. To priamo ovplyvňuje energiu vlnového balíka - alebo výbuch vĺn pohybujúcich sa ako jednotka - podľa vzťahu, ktorý vytvoril fyzik Max Planck na začiatku 20. storočia. Ak je svetlo viditeľné, farbu určuje frekvencia vibrácií. Rýchlosť svetla nie je ovplyvnená vibračnou frekvenciou. Vo vákuu je to vždy 299 792 kilometrov za sekundu (186 282 míľ za sekundu), čo je hodnota označená písmeno „c.“ Podľa Einsteinovej teórie relativity nič vo vesmíre necestuje rýchlejšie ako toto.

Svetlo sa pohybuje v médiu pomalšie ako vo vákuu a rýchlosť je úmerná hustote média. Táto zmena rýchlosti spôsobuje, že sa svetlo ohýba na rozhraní dvoch médií - jav nazývaný lom svetla. Uhol, pod ktorým sa ohýba, závisí od hustoty dvoch médií a vlnovej dĺžky dopadajúceho svetla. Keď sa svetlo dopadajúce na priehľadné médium skladá z vlnových frontov rôznych vlnových dĺžok, každá z nich sa ohýba pod iným uhlom a výsledkom je dúha.