Priča o svjetlosti u isto vrijeme djeluje tako očita, a njena je narav tako tajanstvena. Stiže na naš planet nakon brzog putovanja od Sunca, udaljenog 149 milijuna km. Svjetlost putuje brzinom od 300 000 km u sekundi.
Ali što je zapravo svjetlost? Vidimo njenu prirodu kada Sunčeva zraka prolazi kroz prostoriju ispunjenu prašinom, kada se duga pojavi nakon oluje ili kada slamka u čaši vode izgleda nepovezano.
Ti pogledi, međutim, samo nas dovode do novih pitanja. Putuje li svjetlost kao val, zraka ili struja čestica? Je li to jedna boja ili više boja pomiješanih zajedno?
Zašto svjetlost uopće putuje? Kao što vjerojatno znate, Sunce je nuklearna vatrena kugla koja izbacuje energiju u svim smjerovima. Svjetlost koju vidimo jednostavno je jedan dio energije koju stvara Sunce i koju naše oči mogu otkriti. Kada svjetlost putuje između dva mjesta (od Sunca do Zemlje ili od svjetiljke do pločnika ispred vas u mračnoj noći), energija putuje između te dvije točke. Energija putuje u obliku valova (slično valovima na moru, ali oko 100 milijuna puta manji) – u obliku vibrirajućeg uzorka elektriciteta i magnetizma koji nazivamo elektromagnetska energija.
Kada bi naše oči mogle vidjeti elektricitet i magnetizam, mogli bismo vidjeti svaku zraku svjetlosti kao val elektriciteta koji vibrira u jednom smjeru i val magnetizma koji vibrira pod pravim kutom u odnosu na njega. Ta bi dva vala putovala u korak, i to – brzinom svjetlosti.
Pokušajmo otkriti makar dio fascinantne naravi svjetlosti kroz sljedećih 5 činjenica.
Je li svjetlost čestica ili val?
Stotinama godina znanstvenici su raspravljali o tome je li svjetlost uopće val. Još u 17. stoljeću, briljantni engleski znanstvenik Sir Isaac Newton (1642. – 1727.) – jedan od prvih ljudi koji su detaljno proučavali tu materiju – smatrao je da je svjetlost tok “korpuskula” ili čestica. Ali njegov veliki suparnik, ništa manje briljantni Nizozemac po imenu Christiaan Huygens (1629. – 1695.), bio je prilično uporan u tome da se svjetlost sastoji od valova.
Tako je započela kontroverza koja još uvijek traje – a lako je vidjeti zašto. Na neki način, svjetlost se ponaša poput vala: svjetlost se reflektira od zrcala, na primjer, na potpuno isti način na koji se valovi koji udaraju s mora “reflektiraju” od morskih zidova i vraćaju se natrag. Na druge načine, svjetlost se ponaša mnogo više kao struja čestica – poput metaka koji brzo ispaljuju iz pištolja. Tijekom 20. stoljeća fizičari su došli do uvjerenja da svjetlost može biti i čestica i val u isto vrijeme. (Ova ideja zvuči prilično jednostavno, ali nosi prilično složen naziv dualnosti val-čestica.)
Pravi odgovor na ovaj problem više je stvar filozofije i psihologije nego fizike. Naše razumijevanje svijeta temelji se na načinu na koji ga tumače naše oči i mozak. Ponekad nam se čini da se svjetlost ponaša poput vala; ponekad se čini da je svjetlost tok čestica
Pa, koji je odgovor? Ne čudi da nije lako shvatiti – definicija svjetlosti u dualnosti val-čestica kaže jasno da je svjetlost jednostavno ono što jest – oblik energije koji se ne podudara u potpunosti s našim mentalnim planom o tome kako bi stvari trebale biti. Jednog će dana netko smisliti bolji način za opisivanje i objašnjenje koji ima savršenog smisla u svim situacijama. Trenutno, jednostavna i razumljiva slika svjetlosne
Odakle dolazi svjetlost?
Svjetlost je, najjednostavnije rečeno, energija. Energija pak nije nešto što se pojavljuje iz vedra neba: ona mora doći odnekud. U Svemiru postoji fiksna količina energije i nijedan proces nikada ne stvara ili uništava energiju – on jednostavno pretvara dio postojeće energije u jedan ili više drugih oblika. Ova ideja je osnovni zakon fizike koji se zove očuvanje energije i odnosi se na svjetlost jednako kao i na bilo što drugo. Pa odakle onda dolazi svjetlost? Kako točno “nastaje” svjetlo?
Danas fizičari prihvaćaju dvostruku prirodu svjetlosti. U ovom modernom gledištu, oni definiraju svjetlost kao skup jednog ili više fotona koji se šire prostorom kao elektromagnetski valovi.
Svjetlost dolazi od Sunca i ona je vrsta energije koju čine fotoni. Ti fotoni putuju u obliku valova, a ako su valovi dugi između 380 i 780 nanometara, mi ih doživljavamo kao vidljivu svjetlost.
Ti valovi putuju u ravnim crtama dok ne udare u površinu. Zatim se valovi mogu reflektirati, apsorbirati ili prenositi kroz materijal u koji pogađaju.
Glatke, sjajne površine reflektiraju svjetlost u ravnoj liniji. Hrapave, sjajne površine raspršuju svjetlost tako da se ona odbija pod svim kutovima. Tamna ili neprozirna površina usisat će svjetlost i pretvoriti je u toplinu.
Prozirni materijali kao što je voda propuštaju mnogo svjetla tako da materijal postaje proziran.
Ispostavilo se da se svjetlost stvara unutar atoma kada se oni “uzbude”.
Kako svjetlost stvarno djeluje?
Fotoni nam omogućuju da vidimo svijet oko sebe. U potpunom mraku, naše oči zapravo mogu osjetiti pojedinačne fotone, ali općenito ono što vidimo u svakodnevnom životu dolazi nam u obliku zilijuna fotona koje proizvode izvori svjetlosti i reflektiraju se od objekata.
Ako sada pogledate oko sebe, u prostoriji vjerojatno postoji izvor svjetlosti koji proizvodi fotone i predmeti u sobi koji reflektiraju te fotone. Vaše oči apsorbiraju neke od fotona koji teku prostorijom i tako vidite.
Zbog čega izvor svjetlosti proizvodi fotone?
Postoji mnogo različitih načina za proizvodnju fotona, ali svi oni za to koriste isti mehanizam unutar atoma. Ovaj mehanizam uključuje pokretanje elektrona koji kruže oko jezgre svakog atoma. Na primjer, atomi vodika imaju jedan elektron koji kruži oko jezgre. Atomi helija imaju dva elektrona koji kruže oko jezgre. Atomi aluminija imaju 13 elektrona koji kruže oko jezgre. Svaki atom ima određeni broj elektrona koji kruže oko njegove jezgre.
Elektroni kruže oko jezgre u fiksnim orbitama – pojednostavljeni način razmišljanja o tome je da zamislite kako sateliti kruže oko Zemlje. Postoji ogromna količina teorije o elektronskim orbitalama, ali za razumijevanje svjetlosti postoji samo jedna ključna činjenica koju treba razumjeti: elektron ima prirodnu orbitu koju zauzima, ali ako energizirate atom, možete premjestiti njegove elektrone na više orbitale. Foton nastaje kad god se elektron na orbiti višoj od normalne vrati u svoju normalnu orbitu. Tijekom pada s visoke energije na normalnu energiju, elektron emitira foton – paket energije – s vrlo specifičnim karakteristikama. Foton ima frekvenciju ili boju koja točno odgovara udaljenosti na koju pada elektron.
Ovaj fenomen možete vidjeti prilično jasno u plinskim žaruljama. Fluorescentne svjetiljke, neonske reklame i žarulje s natrijevom parom uobičajeni su primjeri ove vrste električne rasvjete, koja propušta električnu struju kroz plin kako bi plin emitirao svjetlost. Boje svjetiljki uvelike variraju ovisno o identitetu plina i konstrukciji svjetiljke.
Zašto nema svjetlosti u dubini mora?
Zemaljska mora i oceani mogu biti vrlo, vrlo duboki; svjetlost može prodrijeti samo do određene dubine ispod površine mora. Dok svjetlosna energija putuje kroz vodu, molekule u vodi je raspršuju i apsorbiraju. Na velikim dubinama svjetlost je toliko raspršena da više nema ništa za otkriti. Samo gornji slojevi mora ili oceana dobivaju dovoljno svjetla da podrže biljke, a većina uistinu bogatog životinjskog svijeta nagomilana je u gornjih 200 metara. Ovo gornje područje naziva se fotička zona; gotovo sve morske biljke i sićušni mikroskopski morski organizmi koji sudjeluju u fotosintezi mogu uspijevati samo u fotičkoj zoni.
Ispod fotičke zone, od 200 do 1000 metara, nalazi se afotička (što znači bez svjetlosti) zona. U afotičkoj zoni; sve što je ostalo od Sunčeve svjetlosti je prigušena, tamna, plavo-zelena svjetlost, preslaba da dopusti fotosintezu. Hrane ipak ima; detritus, komadići raspadajućih biljaka i životinjski otpad padaju odozgo kako bi nahranili organizme u afotičnoj zoni.
Nakon afotične zone slijedi potpuni mrak. Od 1000 metara ispod površine, pa sve do morskog dna, Sunčeva svjetlost ne prodire kroz tamu; a budući da se fotosinteza ne može odvijati, nema ni biljaka. Životinje koje žive u zoni bezdana hrane se detritusom koji pada odozgo – ili se hrane jedna drugom. A ponekad prave vlastito svjetlo; određene vrste dubokomorskih riba i meduza imaju posebne stanice koje proizvode svjetlost, što znači da su sposobne za bioluminiscenciju.
Zašto je rajčica crvena?
Boja je jedna od najčudnijih stvari vezanih uz svjetlost. Evo jedne očite zagonetke: ako stvari vidimo jer se Sunčeva svjetlost odbija od njih, kako to da sve nije iste boje? Zašto nije sve boje Sunčeve svjetlosti?
Vjerojatno već znate odgovor na ovo. Sunčeva svjetlost nije svjetlost samo jedne boje – to je ono što nazivamo bijelom svjetlošću, sastavljeno od svih različitih boja pomiješanih zajedno. Znamo to jer možemo vidjeti duge – šarene krivulje koje se pojavljuju na nebu kada kapljice vode cijepaju Sunčevu svjetlost na sastavne boje lomeći (savijajući) različite boje svjetlosti u različitim količinama.
Zašto je rajčica crvena? Kada Sunčeva svjetlost obasja rajčicu, crveni dio Sunčeve svjetlosti ponovno se reflektira od kore rajčice, dok se sve druge boje svjetla apsorbiraju (upijaju) u rajčicu, tako da ih ne vidite.
Zašto je rajčica crvena, a ne plava ili zelena? Prisjetite se kako atomi stvaraju svjetlost. Kada Sunčeva svjetlost padne na rajčicu, dolazna svjetlosna energija pobuđuje atome u koži rajčice. Elektroni se promiču na višu energetsku razinu kako bi uhvatili energiju, ali ubrzo ponovno padaju. Dok to čine, emitiraju fotone nove svjetlosti – a to slučajno odgovara vrsti svjetlosti koju naše oči vide kao crvenu. Drugim riječima, rajčice su poput preciznih optičkih strojeva programiranih za proizvodnju fotona crvene svjetlosti kada Sunčeva svjetlost padne na njih.
Kad biste rajčice obasjali svjetlom drugih boja, što bi se dogodilo? Pretpostavimo da ste napravili zeleno svjetlo propuštanjem Sunčeve svjetlosti kroz komad zelene plastike (nešto što zovemo filter). Kad biste ovako osvijetlili crvenu rajčicu, rajčica bi izgledala crna. To je zato što rajčice upijaju zeleno svjetlo. Jednostavno nemaju crvenog svjetla koje bi mogli reflektirati.
