Šviesa mums suteikia galimybę stebėti ir pažinti pasaulį. Bet šviesa fizikoje yra ne tik mums matomos vaivorykštės spalvos, tiksliau tai yra elektromagnetinės bangos. Rentgeno spinduliai, naudojami pamatyti žmogaus kaulus, arba radijo bangos yra elektromagnetinių spindulių pavyzdžiai.
Šviesa Astronomijoje ir Fizikoje
Šviesa astronomijoje ir fizikoje mums padeda stebėti ir suprasti aplinkinį pasaulį. Šviesos dalelė - fotonas - pasiekia didžiausią greitį visoje Visatoje, kuris yra trys šimtai kilometrų per sekundę. Bet atstumai tarp astronominių kūnų yra neįsivaizduojamai dideli. Kadangi šviesos greitis nėra begalinis, šviesai irgi užtrunka kažkiek laiko nukeliauti tokius didelius atstumus.
Šviesmečiai: Kaip Matuojami Kosminiai Atstumai
Šviesos dalelei nukeliauti nuo Saulės iki Žemės užtrunka vidutiniškai truputį daugiau negu 8 minutes. Betgi Saulė palyginus su kitais kūnais yra arti Žemės ir atstumas, kurį šviesai reikia nukeliauti, yra trumpas. Kadangi atstumai Visatoje yra tokie milžiniški, šviesa juos keliauja labai ilgai. Todėl valandomis matuoti laiką, kurį nukeliauja šviesos dalelė, būtų labai nepraktiška ir sunku. Astronomijoje laiką, kurį nukeliauja fotonas, mokslininkai matuoja šviesmečiais. Atstumai taip pat matuojami šviesmečiais.
Todėl nurodydami atstumą tarp tolimų objektų, mokslininkai tiesiog sako, kiek laiko užtrunka šviesai tą atstumą nukeliauti. Aišku, jeigu norima tikslių skaičių, šviesmečius galima pasiversti į kilometrus. Šviesa per vienus metus nukeliauja 9.5 trilijonus kilometrų. Pavyzdžiui, arčiausia žvaigždžių sistema Alfa Centauri yra nutolusi nuo Žemės apie 40 trilijonų kilometrų. Šviesai šį atstumą nukeliauti užtrunka apie 4 metus su puse.
Žvilgsnis į Praeitį
Taigi Visatoje šviesa neskrieja taip greitai. Kadangi šviesa keliauja daugiau nei 4 metus iš Alfa Centauri, mūsų matomas žvaigždės vaizdas „vėluoja”. Kai žiūrime į Alfa Centauri, mes matome šviesos daleles, kurios paliko žvaigždę prieš 4 metus. Taigi, mes matome, kaip atrodė Alfa Centauri prieš keturis metus. Kad pamatytume, kaip ji atrodo dabar, mes turėsime palaukti 4 metus. Tolimesnių kūnų skleidžiamos šviesos dalelės turi dar ilgiau skristi. Kuo toliau žiūrime į Visatą, tuo toliau žiūrime į praeitį. Aišku, yra ribos tam, kiek toli galime matyti.
Šviesa ir Atomai
Šviesos pagalba galime nustatyti, iš ko susideda planetų atmosferos. Pradėkime nuo atomų. Atomas sudarytas iš branduolio, kuris yra teigiamas, ir elektronų, kurie yra neigiami. Elektronai skrieja aplink atomą, nes juos traukia skirtingas krūvis. Yra daug orbitų, kuriose elektronas gali skristi, bet elektronas visada skrenda orbitoje esančioje arčiausiai prie branduolio.
Kai šviesos dalelė atsitrenkia į elektroną, įvyksta kažkas labai įdomaus. Elektronas gauna energijos iš šviesos dalelės, nes šviesa yra energijos forma, ir todėl turi panaudoti gautą energiją. Taigi, elektronas peršoka į tolimesnę orbitą. Elektronams tolstant nuo branduolio, jie įgyja daugiau gravitacinės potencinės energijos. Tai yra energija, atsirandanti objektams tolstant vienas nuo kito gravitaciniame lauke.
Kitaip tariant, lėktuvui kylant nuo Žemės, jis gauna daugiau potencinės energijos, nes jo atstumas nuo Žemės didėja. Taigi, elektronai, norėdami susimažinti savo gravitacinę potencinę energiją, peršoka atgal į savo pradinę orbitą. Čia elektronas turi atsikratyti energijos, kurią jis įgijo peršokdamas į aukštesnę orbitą, ją kažkam atiduodamas. Todėl elektronas išskiria šviesą. Skirtingiems atomų elektronams reikia kitokio kiekio energijos, kad peršoktų į viršutinę orbitą. Skirtingos šviesos ilgio bangos turi skirtingą kiekį energijos. Taigi, kai elektronas peršoka atgal į savo pradinę orbitą, jis išskiria tos pačios spalvos šviesos dalelę, kurią gavo.
Doplerio Efektas ir Šviesa
Įsiklausykite į pravažiuojančio automobilio garsus. Kai automobilis artėja link jūsų, jis skleidžia aukšto tono garsą, kai tolsta, skleidžia žemesnio tono garsą. Tai pavyzdys apie garso bangas, tačiau tas pats vyksta ir su šviesos bangomis. Kai objektas nejuda, jo skleidžiamos garso bangos keliauja į visas puses vienodai. Kai objektas juda, bangos jo priekyje sutankėja, o už jo - praretėja. Sutankėjusios bangos turi aukštą dažnį.
Jeigu tai garso bangos, garsas yra aukšto tono. Taigi artėjantis objektas skleidžia aukštą garsą, o tolstantis skleidžia žemo tono bangas, nes jų dažnis yra mažesnis. Labai panašus reiškinys vyksta ir su šviesos bangomis. Jeigu kažkoks objektas Visatoje skrenda link mūsų, galime pamatyti tai pagal to objekto skleidžiamą šviesą. Jei objektas juda link Žemės, šviesos bangos susispaudžia ir turėdamos didesnį dažnį pasislenka į mėlyną spektro pusę, todėl tai vadinama mėlynuoju poslinkiu. Jeigu objektas tolsta nuo mūsų, jo skleidžiama šviesa pasislenka į raudoną spektro pusę, ir tai yra vadinama raudonuoju poslinkiu. Šis reiškinys vadinamas Doplerio efektu.
Šviesa ir Kvantinė Fizika
Kvantinė mechanika - fizikos sritis, tirianti mikrodaleles, tai yra atomus, ir viską, kas yra mažesni už juos. Fotonas yra šviesos dalelė, arba šviesos kvantas, neturi krūvio, gali egzistuoti tik judant šviesos greičiu. Kvantą atrado žymus mokslininkas Maksas Plankas, bandydamas suprasti, kodėl kaitinamas plienas netampa nematomas.
Klasikinėje fizikoje tuo metu buvo manoma, jog daugiau kaitinamas plienas turi skleisti vis daugiau energijos per šviesą, taip keisdamas savo spektrą, kol jo šviesa netaptų ultrovioletinė, tai yra nematoma, bet taip nevykdavo, plienas visą laiką išliko matomas. Kelis metus Maksas Plankas bandė įrodyti šį reiškinį klasikinės fizikos būdu, bet atsakymo nerado, dėl to jis pradėjo teigti, jog šviesa skleidžiama ne pastoviai, o atskiromis dalelėmis, t. y. kvantais.
Iš šios teorijos jis sukūrė formulę: E = hv, kurioje E yra energija, v yra dažnis, o h yra vadinama Planko konstanta, kurią jis išvedė žinodamas E ir v, vėliau šią formulę ir teoriją įrodė fizikai eksperimentatoriai ir net tiksliai apskaičiavo Planko konst. reikšmę.
Taigi, šviesa yra labai sudėtingas fenomenas, kuris padeda mums geriau suprasti aplinkinį pasaulį. Nors šviesa yra mūsų kasdienio gyvenimo dalis, ji apima daug sunkiai suprantamų, bet įdomių dalykų.