5 dolog, amit minden embernek tudnia kell a fényről
2015 a fény nemzetközi éve (de a fény egyetemes éve 2533-ban van). Azt hiszem, mindannyian egyetérthetünk abban, hogy a fény nagyon fontos az életünk szinte minden területén. De mik azok a legfontosabb dolgok, amelyeket minden embernek tudnia kell róla? Oké, a 7 évesnél fiatalabb embereket most kihagyom. A fiatalabb gyerekek valószínűleg sok mindent tudnak a fényről (hiszen állandóan használják) – de egyelőre ne foglalkozzunk velük. Szóval, ha elmúltál 7 éves, figyelj oda.
A fény hullám
Mi az a hullám? Kezdjük egy példával. Dobj egy követ egy pocsolyába, és valami ilyesmit fogsz látni:
A kő zavart kelt a vízben (hullámzást). Ez a zavar sugárirányban kifelé mozog attól a ponttól, ahová a kő ütközött. Ez a zavarás mozog kifelé, nem a vízmolekulák – azok csak felfelé és lefelé mozognak. Valami hasonlót csinálhatsz egy zsinórhosszúsággal is. Helyezze a padlóra, és rázza tovább az egyik végét. A zavarás lefelé halad a madzagon (egy nehéz madzag jobban működik).
Nézzük meg a madzagon lefelé haladó hullám esetét. Négy tulajdonságot vehetünk figyelembe:
Ez a négy tulajdonság a következő:
- Amplitúdó: ez a zavarás elmozdulásának nagysága. Az amplitúdó mértékegységei a hullám típusától függnek. Egy húr esetében az egységek méterek lennének.
- Hullámsebesség: ha egy elmozdulást figyelnénk, akkor az mozogna. A hullámsebesség a sebesség (ez redundánsnak tűnik). A hullámsebesség mértékegysége méter/másodperc.
- Hullámhossz: ez az egyik zavarástól a másikig terjedő távolság méterben mérve
- Frekvencia: ha megszámolnánk, hogy egy álló ponton hány hullám halad el másodpercenként, az lenne a frekvencia (másodpercenkénti ciklusokban vagy Hertz-ben).
Az utolsó három tulajdonság összefügg. A hullám sebessége egyenlő a hullámhossz és a frekvencia szorzatával.
A fény tehát hullám. Ez azt jelenti, hogy rendelkezik a fenti tulajdonságokkal, és olyan hullámszerű dolgokra képes, mint:
- Tágul és minden irányba sugárzik (mint egy villanykörte vagy a vízben egy kő által keltett hullámok).
- Ez interferál más hullámokkal.
- Meghajlik a sarkok körül (igen, a fény ezt teszi – de nehéz észrevenni).
- Energiát és impulzust hordoz.
- Együtthat az anyaggal.
A fény mindezt teszi.
A fény elektromágneses hullám
Egy saját hullámot is létrehozhatsz. Fogj egy hosszú hosszabbítót, és feszítsd ki a földön. Most az egyik végét rázd meg függőlegesen. Valami ilyesmit kell kapnod (ez a gif lassított felvétel):
Most vedd el a hosszabbítót, és ismételd meg a demonstrációt. Igen, nem történik semmi. Ha nincs olyan közeg, amelyben a hullám haladhat, akkor nincs hullám. De mi a helyzet a fénnyel? A fény egy hullám, ugye? Igen, valóban (ahogy fentebb leírtam). Akkor hogyan utazik a fény az üres térben, amikor a Naptól a Földig tart? Mi a közege a fényhullámnak?
Kiderült, hogy két fontos dolog van az elektromos és mágneses mezőkkel kapcsolatban. Először is, itt van egy vezeték, amely elektromos áramot vezet egy mágneses iránytű felett. Az elektromos áram mágneses mezőt hoz létre, ami az iránytű elfordulását okozza.
De még csak elektromos áram sem kell a mágneses mezők létrehozásához. Kiderül, hogy egy változó elektromos mező is mágneses mezőt hoz létre. Itt van egy huzaltekercs, amely egy villanykörtéhez van csatlakoztatva (elem nélkül). Amikor ez fölé helyezzük ezt a változó mágneses mezőt, akkor létrejön a változó elektromos mező, amely áramot vezet.
Így van egy változó elektromos mezőnk, amely mágneses mezőt hoz létre, és a változó mágneses mező elektromos mezőt hoz létre. Ha ezt a két gondolatot összerakjuk, akkor két hullámot (és egy elektromos mező hullámot és egy mágneses mező hullámot) hozhatunk létre, amelyek mindkettő a másik hullám terjedésére készteti a másikat. Az elektromágneses hullámoknak nincs szükségük közegre, mert bizonyos értelemben ők maguk a saját közegük.
A fény különböző hullámhosszai különbözőképpen lépnek kölcsönhatásba az anyaggal
Először is, ott van az elektromágneses spektrum. Mindenféle hullámhosszú elektromágneses hullámot létrehozhatunk – az 1 méternél nagyobbaktól (rádióhullámok) a 10 pikométernél kisebbekig (gammasugarak – de ezek is hullámok). Íme az elektromágneses spektrum általános osztályozása a nagy hullámhossztól a kicsiig.
- Rádió
- Mikrohullámok
- Infravörös
- Látható fény
- Ultraibolya
- X-sugarak (de ezek is hullámok)
- Gamma-sugarak
Mindezek elektromágneses hullámok, és mind ugyanolyan sebességgel terjednek (a fénysebességgel). Az anyaggal való kölcsönhatásuk azonban eltérő. Ha bent vagy, a mobiltelefonod még mindig kaphat adatokat a mobiltoronyból, mivel ezek a rádióhullámok a legtöbb falon áthaladnak. Átlát a falakon? Nem. A látható fény a legtöbb falon nem hatol át. A röntgensugarak többnyire átmennek a bőrödön, de a bőrön keresztül nem látsz (látható fénnyel) – az egyszerűen furcsa lenne.
Technikailag a fény és az anyag kölcsönhatása a fény frekvenciájától függ – de mivel a frekvencia és a hullámhossz összefügg, beszélhetünk csak a hullámhosszról.
Látsz dolgokat, amikor a fény belép a szemedbe
Oké, ez nem csak a fényről szól, hanem arról is, hogyan működik az ember.
A fény kétféleképpen juthat be a szemedbe. Először is, lehet egy fényforrás (például egy villanykörte), amely fényt hoz létre. Ez a fény aztán bejut a szemedbe, és BUMM – az agyad ezt a jelet fényként értelmezi. A másik (gyakoribb) mód az, hogy a dolgokat a visszavert fény által látjuk. Tegyük fel, hogy egy ceruzát nézel. A fény (valahonnan) visszaverődik a ceruzáról, majd a szemedbe jut.
De mi történik, ha nem jut fény a szemedbe? Mi van, ha olyan helyen vagy, ahol egyáltalán nincs fényforrás? Ebben az esetben a fekete színt érzékeled. Tulajdonképpen ez egy szórakoztató kérdés lehet. Kérdezd meg valakitől ezt:
Jártál már valaha olyan helyen, ahol egyáltalán nincs fény? (a legtöbb ember nem) Ha egy teljesen sötét szobában lennél, mit látnál? Mi történik, miután hosszú-hosszú ideig vársz?
Az egyik nagyon gyakori válasz az, hogy mindent feketének fogsz látni – először. Ezek az emberek azt is mondják, hogy egy idő után a szemed alkalmazkodni fog, és akkor látni fogsz valamit. A helyes válasz az, hogy csak feketét fogsz látni – örökké. Ha nem jut fény a szemedbe, akkor csak feketét látsz. A közös elképzelés egy közös tapasztalaton alapul. Normális esetben, ha egy sötét szobában vagy, a szemed valóban alkalmazkodik. Ez azonban csak olyan helyiségekben működik, ahol van egy kis fény – és ott szinte mindig van legalább egy kis fény.
Minden tárgy fényt termel
Mégis azt kellene mondanom, hogy minden tárgy elektromágneses hullámokat hoz létre – valóban. Nézzünk egy példát a házadból. Menj be a konyhádba, és kapcsold magasra a tűzhelyet (feltéve, hogy elektromos tűzhelyed van). Most csak figyeld, ahogy egyre forróbb lesz (de ne érj hozzá).
Egyszer csak a tűzhely eleme olyan forró lesz, hogy mélyvöröses színben fog izzani (vörösen izzik). De valójában az elem egész idő alatt fényt termelt. Csakhogy alacsonyabb hőmérsékleten az elektromágneses fény olyan hullámhosszon van, amit nem láthatunk – az infravörös spektrumban van.
A legtöbb dolog, amit magunk körül látunk, EM (elektromágneses) sugárzást bocsát ki az infravörös spektrumban – tehát nem láthatjuk. Nos, valójában közvetve láthatod, ha van egy fantasztikus infravörös kamerád (a telefonodhoz). Ezek a hőkamerák dekódolják az infravörös fényt, és hamis színű képet hoznak létre, amelyet az emberek láthatnak. A legtöbb esetben az infravörös kép különböző színei a tárgyak különböző hőmérsékletének felelnek meg.
Itt egy példa. Ez a kutyám egy sima padlón. Vegyük észre, hogy a szeme és az orra melegebb, mint a testének más részei. Vegye észre azt is, hogy látható az infravörös visszaverődése a padlón.
Rhett Allain
De működik ez a kályhaelemnél melegebb tárgyak esetében is? Igen. Ahogy egy tárgy egyre forróbbá válik, egyre rövidebb és rövidebb hullámhosszúságú fényt hoz létre. Végül a tárgy fehérnek fog tűnni, mivel egyre több rövidebb hullámhosszúságú fény keletkezik. Igen, még magasabb hőmérsékleten még ultraibolya fényt is létrehozhat.
Oké, ez az az öt dolog, amit mindenkinek tudnia kell a fényről.