Zamislite da ste u parku i gledate list na grani drveta. Znamo da se svjetlost odbija s lista u vaše oko, i tako doznajete da je on zelen – no, što je točno svjetlost?
Što je svjetlost – rane ideje
Dvije rane ideje sežu još u 17. stoljeće: engleski znanstvenik Isaac Newton mislio je da se svjetlost sastoji od malih čestica (zvao ih je korpuskule) koje emitiraju vrući objekti (poput Sunca ili vatre), dok je njegov suvremenik, nizozemski fizičar Christian Huygens, smatrao svjetlost nekom vrstom vala koji vibrira gore-dolje dok se kreće prema naprijed.
No, ni jedan ni drugi nisu imali koncept toga što je svjetlost. (Newton nije znao od čega su sačinjene njegove korpuskule; Huygen nije imao koncept toga što se kreće kao val. Usput, pitanje je li foton čestica ili val još uvijek nije u potpunosti riješeno.)
Prvi koraci
Prve korake prema razumijevanju sastava svjetlosti pratimo do Kopenhagena 1820. godine, kada je danski znanstvenik Hans Christian Ørsted održao predavanje o elektricitetu.
Pored baterije koju je koristio u svojoj demonstraciji sasvim slučajno se našao kompas. Ørsted je primijetio iznenadno trzanje magnetske igle kada bi upalio ili ugasio bateriju. To je značilo da su elektricitet i magnetizam povezani – ili, kako je to kasnije formalnije opisano, promjenjivo električno polje stvara magnetsko polje.
Zatim, 11 godina kasnije, engleski znanstvenik Michael Faraday otkrio je da je i suprotno točno: promjenjivo magnetsko polje također stvara električno polje.
Škotski fizičar James Clerk Maxwell sakupio je sve ideje o elektricitetu i magnetizmu (i još nekoliko ideja sa strane) i povezao ih u jednu povezanu teoriju „elektromagnetizma“.
No, Maxwellovo najvažnije otkriće bilo je kada je kombinirao rad Ørsteda i Faradaya da bi opisao suštinu svjetlosti.
Shvatio je da promjenjivo električno polje može stvoriti promjenjivo magnetsko polje, koje bi tada stvorilo još jedno električno polje i tako dalje. Rezultat bi bilo samoodrživo elektromagnetsko polje, koje se beskonačno ponavlja i putuje nevjerojatno brzo.
Koliko brzo? Maxwell je uspio izračunati i ovo, oko 300.000.000 metara po sekundi – dosta blizu onoga što je nedavno izmjereno kao brzina svjetlosti.
I to je svjetlost: električno polje vezano uz magnetsko polje, koje leti kroz svemir.
Ova dva polja možete zamisliti kao plesne partnere, isprepletene u vječnom zagrljaju. Kako bi se nastavili samo-generirati, i električna i magnetska komponenta moraju zadržati korak. Za tango je potrebno dvoje.
Elektromagnetski valovi i svjetlost
Sada znamo da postoji čitav spektar elektromagnetskih valova koji se razlikuju po valnoj duljini. (Valne duljine bi u ovoj slici bile duljine plesnih koraka.)
Na kratkom kraju spektra, visokoenergetske gama zrake mogu imati valnu duljinu znatno manju od atoma vodika, dok na duljem kraju, niskoenergetski radiovalovi mogu biti dugi koliko je planet Jupiter širok. Vidljiva svjetlost je vrlo tanka kriška elektromagnetskog spektra, od valnih duljina od oko 400 do 700 nanometara, što je otprilike širina bakterije E. coli ili oko 1 posto širine vlasi kose.
Možda se pitate zašto vidimo baš ovaj raspon svjetlosti, a ne i druge valne duljine. Postoje dva glavna razloga.
Prvo, „vid“ obično uključuje neku vrstu kemijske reakcije koju izaziva svjetlost. Kemija na bazi ugljika u našim stanicama potaknuta je svjetlom oko vidljivog raspona. Duže valne duljine ne nose dovoljno energije da bi potaknule reakcije, a svjetlost kraćih valnih duljina nosi previše energije i može oštetiti osjetljivu kemiju života (iz istog razloga, primjerice, ultraljubičasto zračenje uzrokuje opekotine).
Drugo, raspon od 400-700 nanometara može putovati prilično daleko u vodi prije nego je apsorbirana (zato čaša vode nama izgleda prozirno – gotovo sva vidljiva svjetlost prolazi kroz nju). Prve oči evoluirale su pod morem, pa je ovaj raspon svjetlosti imao najveću evolucijsku prednost, u usporedbi s drugim valnim duljinama.
A sad, natrag u park. Kada promatrate list, svjetlost koja ulazi u vaše oko je val elektriciteta i magnetizma određene valne duljine. Svjetlost udara u vašu mrežnicu i pokreće određeni obrazac kemijskih promjena u vašim konusnim stanicama, što vaš mozak prepoznaje kao „zeleno“.
Sljedeći put kad sretnete nekog s lijepim očima, možete im reći da imaju prekrasne detektore elektromagnetskih valova.
