5 asiaa, jotka jokaisen ihmisen tulisi tietää valosta
2015 on kansainvälinen valon vuosi (mutta yleinen valovuosi on vuonna 2533). Uskon, että voimme kaikki olla samaa mieltä siitä, että valo on hyvin tärkeää lähes kaikilla elämämme osa-alueilla. Mutta mitkä ovat ne tärkeimmät asiat, jotka jokaisen ihmisen tulisi tietää siitä? Okei, jätän väliin alle 7-vuotiaat. Nuoremmat lapset tietävät luultavasti paljon asioita valosta (koska he käyttävät sitä koko ajan) – mutta jätetään heidät toistaiseksi rauhaan. Jos siis olet yli 7-vuotias, kiinnitä huomiota.
Valo on aalto
Mikä on aalto? Aloitetaanpa esimerkillä. Heitä kivi lätäkköön ja näet jotain tällaista:
Kivi aiheuttaa veteen häiriön (aaltoilun). Tämä häiriö liikkuu säteittäisesti ulospäin siitä, mihin kivi osui. Häiriö liikkuu ulospäin, eivät vesimolekyylit – ne vain liikkuvat ylös ja alas. Voit tehdä jotakin vastaavaa narun kanssa. Aseta se lattialle ja jatka toisen pään ravistelua. Häiriö kulkee narua pitkin alaspäin (raskas naru toimii paremmin).
Tarkastellaan tapausta, jossa aalto kulkee narua pitkin alaspäin. On 4 ominaisuutta, joita voit tarkastella:
Nämä 4 ominaisuutta ovat:
- Amplitudi: tämä on häiriön siirtymän koko. Amplitudin yksiköt riippuvat aaltotyypistä. Jousen osalta yksiköt olisivat metrejä.
- Aallon nopeus: jos katsoisit yhtä siirtymää, se liikkuisi. Aallon nopeus on nopeus (tuo tuntuu turhalta). Aaltonopeuden yksikkö on metriä sekunnissa.
- Aallonpituus: tämä on etäisyys yhdestä häiriöstä seuraavaan mitattuna metreinä
- Taajuus: jos laskisit, kuinka monta aaltoa kulkee paikallaan olevan pisteen ohi sekunnissa, se olisi taajuus (sykleinä sekunnissa tai hertseinä).
Kolme viimeistä ominaisuutta liittyvät toisiinsa. Aallon nopeus on yhtä suuri kuin aallonpituuden ja taajuuden tulo.
Valo on siis aalto. Tämä tarkoittaa, että sillä on kaikki edellä mainitut ominaisuudet ja se voi tehdä aaltomaisia asioita, kuten:
- Laajentua ja säteillä kaikkiin suuntiin (kuten hehkulamppu tai kiven aiheuttamat aallot vedessä).
- Häiritä muita aaltoja.
- Taipua kulmien ympäri (kyllä, valo tekee näin – mutta sitä on vaikea havaita).
- Kuljettaa energiaa ja impulssia.
- Vuorovaikuttaa aineen kanssa.
Valo tekee kaikkia näitä asioita.
Valo on sähkömagneettinen aalto
Voit tehdä oman aaltosi. Ota pitkä jatkojohto ja venytä se maahan. Ravista nyt toista päätä pystysuoraan. Sinun pitäisi saada aikaan jotain tällaista (tämä gif on hidastettuna):
Ota nyt jatkojohto pois ja toista demonstraatio. Kyllä, mitään ei tapahdu. Jos sinulla ei ole väliaine, jossa aalto voi kulkea, aaltoa ei synny. Mutta entä valo? Eikö valo olekin aalto? Kyllä on (kuten edellä kuvailin). Miten valo sitten kulkee tyhjässä avaruudessa kulkiessaan Auringosta Maahan? Mikä on valoaallon väliaine?
Sähkö- ja magneettikentistä käy ilmi kaksi tärkeää asiaa. Ensinnäkin tässä on johto, joka kuljettaa sähkövirtaa magneettikompassin yli. Sähkövirta saa aikaan magneettikentän, joka saa kompassineulan kääntymään.
Mutta magneettikenttien aikaansaamiseen ei edes tarvita sähkövirtaa. Osoittautuu, että muuttuva sähkökenttä saa aikaan myös magneettikentän. Tässä on johtokela, joka on kytketty hehkulamppuun (ei paristoa). Kun se asetetaan tämän muuttuvan magneettikentän päälle, syntyy muuttuva sähkökenttä, joka saa aikaan virran.
Meillä on siis muuttuva sähkökenttä, joka synnyttää magneettikentän, ja muuttuva magneettikenttä synnyttää sähkökentän. Kun nämä kaksi ajatusta yhdistetään, saadaan aikaan kaksi aaltoa (ja sähkökentän aalto ja magneettikentän aalto), jotka molemmat saavat toisensa etenemään. Sähkömagneettiset aallot eivät tarvitse väliaineita, koska ne ovat tavallaan oma väliaineensa.
Valon eri aallonpituudet vuorovaikuttavat eri tavalla aineen kanssa
Esimerkiksi on olemassa sähkömagneettinen spektri. Voit tehdä sähkömagneettisia aaltoja kaikilla eri aallonpituuksilla – yli metristä (radioaallot) alle 10 pikometriin (gammasäteet – mutta ne ovat silti aaltoja). Tässä on sähkömagneettisen spektrin yleinen luokittelu suurista aallonpituuksista pieniin.
- Radio
- Mikroaallot
- Infrapuna
- Näkyvä valo
- Ultravioletti
- X-säteet (mutta ne ovat aaltoja)
- Gammasäteet
Kaikki nämä ovat sähkömagneettisia aaltoja, ja ne kaikki kulkevat samalla nopeudella (valon nopeus). Niillä on kuitenkin erilainen vuorovaikutus aineen kanssa. Jos olet sisätiloissa, matkapuhelimesi voi silti saada tietoja matkapuhelinmastosta, koska nämä radioaallot läpäisevät useimmat seinät. Näetkö seinien läpi? Ei. Näkyvä valo ei läpäise useimpia seiniä. Röntgensäteet menevät enimmäkseen ihon läpi, mutta et voi nähdä (näkyvällä valolla) ihon läpi – se olisi vain outoa.
Teknisesti valon ja aineen vuorovaikutus riippuu valon taajuudesta – mutta koska taajuus ja aallonpituus liittyvät toisiinsa, voimme puhua vain aallonpituudesta.
Näet asioita, kun valo tunkeutuu silmääsi
Okei, tämä ei koske vain valoa vaan myös sitä, miten ihminen toimii.
Valo voi tunkeutua silmään kahdella tavalla. Ensinnäkin voisi olla valonlähde (kuten hehkulamppu), joka luo valoa. Tämä valo kulkee sitten silmääsi ja BOOM – aivosi tulkitsevat tämän signaalin valoksi. Toinen (yleisempi) tapa on nähdä asioita heijastuneen valon avulla. Oletetaan, että katsot kynää. Valo (jostain) heijastuu kynästä ja sitten silmääsi.
Mutta mitä tapahtuu, jos silmään ei tule valoa? Entä jos olet paikassa, jossa ei ole minkäänlaista valonlähdettä? Siinä tapauksessa havaitset mustan värin. Oikeastaan tämä voi olla hauska kysymys. Kysy joltakulta näin:
Oletko koskaan ollut paikassa, jossa ei ole lainkaan valoa? (useimmat ihmiset eivät ole) Jos olet huoneessa, joka on täysin pimeä, mitä näkisit? Mitä tapahtuu, kun olet odottanut pitkään, pitkään?
Yksi hyvin yleinen vastaus on, että näet kaiken mustana – aluksi. Nämä ihmiset sanovat myös, että jonkun ajan kuluttua silmäsi sopeutuvat ja sitten TULET näkemään jotain. Oikea vastaus on, että näette vain mustaa – ikuisesti. Jos silmäänne ei tule valoa, näette vain mustaa. Yhteinen ajatus perustuu yhteiseen kokemukseen. Normaalisti, jos olet pimeässä huoneessa, silmäsi todellakin sopeutuvat. Tämä toimii kuitenkin vain huoneissa, joissa on vähän valoa – ja siellä on melkein aina ainakin vähän valoa.
Kaikki esineet tuottavat valoa
Pitäisi ehkä sanoa, että kaikki esineet tuottavat sähkömagneettisia aaltoja – ne tuottavat. Katsotaanpa esimerkkiä talostasi. Mene keittiöön ja laita liesi täysille (olettaen, että sinulla on sähköliesi). Tarkkaile nyt vain, kun se kuumenee (mutta älä koske siihen).
Viimein lieden elementti kuumenee niin kuumaksi, että se hehkuu matalaa punertavaa väriä (punaista kuumaa). Mutta itse asiassa elementti tuotti valoa koko ajan. Kyse on vain siitä, että matalammissa lämpötiloissa sähkömagneettinen valo on aallonpituudella, jota et voi nähdä – se on infrapunaspektrissä.
Vähän kaikki ympärilläsi näkyvät asiat säteilevät EM-säteilyä (sähkömagneettista säteilyä) infrapunaspektrissä – joten et voi nähdä sitä. No, voit itse asiassa epäsuorasti nähdä sen, jos sinulla on mahtava infrapunakamera (puhelimeen). Nämä lämpökamerat hajottavat infrapunavalon ja luovat väärän värisen kuvan, jonka ihminen voi nähdä. Suurimmaksi osaksi IR-kuvan eri värit vastaavat kohteiden eri lämpötiloja.
Tässä on esimerkki. Tässä on koirani sileällä lattialla. Huomaa, että sen silmät ja nenä ovat lämpimämmät kuin muut ruumiinosat. Huomaa myös, että näet hänen infrapunaheijastuksensa lattialla.
Rhett Allain
Mutta toimiiko tämä hellan elementtiä kuumemmissa kohteissa? Kyllä. Kun esine kuumenee entisestään, se tuottaa valoa yhä lyhyemmillä ja lyhyemmillä aallonpituuksilla. Lopulta esine näyttäisi valkoiselta, kun lyhyemmän aallonpituuden valoa syntyy enemmän. Kyllä, se voisi jopa luoda ultraviolettivaloa vielä korkeammissa lämpötiloissa.
Okei, siinä viisi asiaa, jotka kaikkien pitäisi tietää valosta.