Světlo I: Co je světlo?

Do poloviny 19. století tato otázka trápila nejednoho badatele a filozofa. Co však bylo i pro moderní fyziky té doby překvapením, že vysvětlení nepřinesli optici, kteří se  zabývali hlavně geometrickou optikou ( Gauss, Newton, Frenell a další), ale teoretický fyzik dr. James Clerk Maxwell. Ten matematicky dokázal, že světelný paprsek je postupná vlna tvořená elektrickým a magnetickým polem, tzv. elektromagnetická vlna. Tím dokázal spojit tři samostatné fyzikální disciplýny elektřinu, magnetismus a optiku.

Než Maxwell dokázal toto tvrzení vědci pracovali s různými zářeními samostaně. Ke konci 19.st. bylo známé viditelné, infračervené (tepelné) a ultrafialové záření. Heinrich Hertz pak přispěl objevením radiových vln a navíc zjistil, že se pohybují stejně rychle jako viditelné světlo. Postupem času lidé objevovali další a další druhy záření (viz. obr. 2), které se lišily pouze frekvencí vlnění. Seředíme-li různé druhy elektromagnetického záření podle jejich frekvence obdržíme tzv. elektromagnetické spektrum. Celé ho můžeme vidět na následujícím obrázku.

Všimněme si, že viditelné světlo zabírá pouze velmi tenoučký pruh z celého elektromagnetického spektra. Ovšem pro nás životně důležité Slunce září právě nejvíce ve viditelném světle (žluto-zelená barva s délkou vlny 555nm), proto se naše oči vyvinuly nejcitlivěji právě na toto záření. Lidé si však vyvinuli přístroje, které pozorují i v jiných částech spektra, např. rentgenové, mikrovlnné nebo gama záření.

Elektromagnetické vlny si můžeme nejlépe představit jako na jako dvě na sebe kolmé složky elektrické a magnetické intenzity (viz. obr. 3), které mají v čase a prostoru sinusový průběh .

Můžeme proto zapsat elektrické a magnetická pole funkcemi polohy a času

kde Em a Bm jdou amplitudy polí, k je vlnové číslo a ω je úhlová frekvence. Rychlost vlny se dá vypočítat jako poměr ω / k . Z Maxwellových rovnic by nám vyšlo

kde ε₀ je perneabilita vakua a μ₀ je permitivita vakua.

Později se ukázalo, že žádný hmotný objekt ani informace se nemůže pohybovat větší rychlostí než je právě rychlost světla. Toto vysvětlil a ukázal v roce 1905 ve své slavné práci Albert Einstein o Speciální teorii relativity.

Elektromagnetickou vlnu můžeme znázornit čárou ve směru jejího pohybu - paprskem, nebo čely vln - vlnoplochami, tedy myšlenými plochami, na kterých má vlna tutéž fázi. Každé dvě sousední vlnoplochy jsou zváleny o jednu vlnovou délku, kterou můžeme obecně vypočíst jako

Je zde vidět analogie s klasickým školním vztahem pro časovou změnu

kde T je časová perioda mezi dvěma uzly.

Velmi důležitou vlastností elektromagnetického záření je šíření v nehmotném prostředí. To dovoluje přenos záření z hvězd vesmírem až na zemský povrch. Konečná rychlost světla navíc způsobuje velmi zajímavý jev. Pokud je nějaká hvězda vzdálená například 100 světelných let (jeden světelný rok je vzdálenost jakou uletí světlo za jeden rok, odpovídá cca. 9,46.10¹² km) vidíme hvězdu jak vypadala před 100 lety. Takovým to způsobem můžeme nahlížet do velmi vzdálené minulosti až do doby vniku galaxií a hvězd.

Na závěr si definujme poslední dvě fyzikální veličiny, se kterými se budeme během seriálu o světle setkávat. První z veličin vyjadřuje směr přenosu energie v každém bodě prostoru, tzv. Poytingův vektor. Jak již název napovídá, jedná se o vektoru veličinu (stejně jako elektrická i magnetická intenzita). Poytingův vektor se tedy definuje jako

Ale protože obě intenzity jsou na sebe u elektromagnetického záření vždy kolmé, můžeme vztah pro výkon dopadající na určitou plochu (jednotka W/m²) zapsat jako

Poslední důležitou veličinou popisující vlastnosti světla je jeho intenzita. Protože ve volném prostoru se nejčastěji světlo šíří jako kulová vlna (jakoby stále se nafukující balónek), lze vztah pro intenzitu zapsat jako

kde P_zdroje je zářivý výkon zdroje (například hvězdy nebo žárovky). Ve vesmíru známe objekty s názvem supernovy typu Ia, které vybuchují a září s přesně danýmy parametry. Toho využíváme k následnému velmi přesnému měření vzdáleností ve vesmíru.

Nyní to již vypadá, že víme, co to je světlo. Ovšem není to tak zcela pravda. Moderní fyzika ukázala, že světlo má jak vlnovou povahu (elektromagnetické vlnění), tak i částicovou povahu, tzv. dualizmus světla. V našem seriálu si ovšem vystačíme bohatě s vlnovým popisem světla, kterým se dají vysvětlit mnohé vlastnosti světla. Již příště se však krátce zmíníme právě nad vlastností, která souvisí s tím, že světlo se chová jako určitá velmi malá “kulička”.

jméno (povinné)

e-mail (nebude zveřejněn) (povinné)

web