5 saker som alla människor bör veta om ljus
2015 är det internationella ljusåret (men det universella ljusåret är 2533). Jag tror att vi alla kan hålla med om att ljuset är mycket viktigt i så gott som alla aspekter av våra liv. Men vilka är de viktigaste sakerna som varje människa bör veta om det? Okej, jag tänker ge ett undantag för människor under 7 år. Yngre barn vet förmodligen massor av saker om ljus (eftersom de använder det hela tiden) – men låt oss inte oroa oss för dem för tillfället. Så om du är över 7 år, var uppmärksam.
Ljus är en våg
Vad är en våg? Låt oss börja med ett exempel. Kasta en sten i en pöl och du kommer att se något som liknar detta:
Stenen skapar en störning i vattnet (en krusning). Denna störning rör sig radiellt utåt från den plats där stenen träffade. Det är störningen som rör sig utåt, inte vattenmolekylerna – de rör sig bara upp och ner. Du kan göra något liknande med en längd av ett snöre. Lägg det på golvet och fortsätt att skaka den ena änden. Störningen rör sig nedåt på snöret (ett tungt snöre fungerar bättre).
Låt oss titta på fallet med en våg som rör sig nedåt på ett snöre. Det finns 4 egenskaper som du kan ta hänsyn till:
Dessa 4 egenskaper är:
- Amplitud: Detta är storleken på förskjutningen för störningen. Enheterna för amplitud beror på typen av våg. För en sträng skulle enheterna vara meter.
- Våghastighet: Om du skulle titta på en förskjutning skulle den vara i rörelse. Våghastigheten är hastigheten (det verkar överflödigt). Enheten för våghastighet är meter per sekund.
- Våglängd: Detta är avståndet från en störning till nästa mätt i meter
- Frekvens: Om du skulle räkna hur många vågor som passerar en stationär punkt varje sekund skulle det vara frekvensen (i cykler per sekund eller hertz).
De tre sista egenskaperna hänger ihop. Vågens hastighet är lika med produkten av våglängden och frekvensen.
Ljuset är alltså en våg. Det betyder att det har alla ovanstående egenskaper och kan göra vågiga saker som:
- Utvidga sig och stråla i alla riktningar (som en glödlampa eller vågorna i vattnet som orsakas av en sten).
- Interferera med andra vågor.
- Böj sig runt hörn (ja, ljuset gör det – men det är svårt att se).
- Bär energi och rörelsemängd.
- Interagerar med materia.
Ljuset gör alla dessa saker.
Ljus är en elektromagnetisk våg
Du kan göra din egen våg. Ta en lång förlängningssladd och spänn ut den på marken. Ge nu den ena änden en vertikal skakning. Du bör få något som liknar detta (denna gif är i slow motion):
Ta nu bort förlängningssladden och upprepa demonstrationen. Ja, ingenting händer. Om du inte har ett medium för en våg att färdas i så finns det ingen våg. Men hur är det med ljuset? Ljus är väl en våg? Ja, faktiskt (som jag beskrev ovan). Så hur färdas då ljuset genom den tomma rymden när det färdas från solen till jorden? Vad är mediet för en ljusvåg?
Det visar sig att det finns två viktiga saker om elektriska och magnetiska fält. För det första, här är en tråd som leder elektrisk ström över en magnetisk kompass. Den elektriska strömmen skapar ett magnetfält som får kompassnålen att vrida sig.
Men man behöver inte ens en elektrisk ström för att skapa magnetfält. Det visar sig att ett förändrat elektriskt fält också skapar ett magnetfält. Här är en trådspole ansluten till en glödlampa (utan batteri). När den placeras över detta föränderliga magnetfält skapas det föränderliga elektriska fältet som driver en ström.
Så vi har ett föränderligt elektriskt fält som skapar ett magnetfält och ett föränderligt magnetfält skapar ett elektriskt fält. Sätt ihop dessa två idéer och du kan skapa två vågor (en elfältsvåg och en magnetfältsvåg) som båda får den andra att fortplanta sig. Elektromagnetiska vågor behöver inget medium eftersom de på sätt och vis är sitt eget medium.
Differenta våglängder av ljus interagerar på olika sätt med materia
För det första finns det elektromagnetiska spektrumet. Man kan göra en elektromagnetisk våg av alla olika våglängder – från större än 1 meter (radiovågor) till mindre än 10 pikometer (gammastrålar – men de är fortfarande vågor). Här är den vanliga klassificeringen av det elektromagnetiska spektrumet från stora till små våglängder.
- Radio
- Mikrovågor
- Infrarött
- Visibelt ljus
- Ultraviolett
- X-.strålar (men de är vågor)
- Gammastrålar
Alla dessa är elektromagnetiska vågor och alla färdas med samma hastighet (ljusets hastighet). De har dock olika interaktioner med materia. Om du befinner dig inomhus kan din mobiltelefon fortfarande få data från en mobilmast eftersom dessa radiovågor passerar genom de flesta väggar. Kan du se genom väggarna? Nej, synligt ljus passerar inte genom de flesta väggar. Röntgenstrålar går oftast genom huden, men du kan inte se (med synligt ljus) genom huden – det skulle bara vara konstigt.
Tekniskt sett beror interaktionen mellan ljus och materia på ljusets frekvens – men eftersom frekvens och våglängd hänger ihop kan vi bara tala om våglängden.
Du ser saker när ljus kommer in i ditt öga
Okej, det här handlar inte bara om ljus utan också om hur människan fungerar.
Det finns två sätt som ljus kan komma in i ditt öga. För det första kan det finnas en ljuskälla (som en glödlampa) som skapar ljus. Detta ljus färdas sedan in i ditt öga och BOOM – din hjärna tolkar denna signal som ljus. Det andra sättet (som är vanligare) är att se saker genom reflekterat ljus. Anta att du tittar på en penna. Ljuset (från någonstans) reflekteras av pennan och sedan in i ditt öga.
Men vad händer om det inte finns något ljus som kommer in i ditt öga? Vad händer om du befinner dig på en plats utan någon som helst ljuskälla? I det fallet uppfattar du färgen svart. Det här kan faktiskt vara en rolig fråga. Fråga någon så här:
Har du någonsin varit någonstans där det absolut inte finns något ljus? (De flesta har inte gjort det) Om du befinner dig i ett rum som är helt mörkt, vad skulle du då se? Vad händer efter att du har väntat länge, länge?
Ett av de mycket vanliga svaren är att du kommer att se allting som svart – till en början. Dessa människor kommer också att säga att efter en tid kommer dina ögon att anpassa sig och då kommer du att se något. Det korrekta svaret är att du bara kommer att se svart – för alltid. Om inget ljus kommer in i ögat ser du bara svart. Den gemensamma idén bygger på en gemensam erfarenhet. Om du befinner dig i ett mörkt rum brukar dina ögon faktiskt anpassa sig. Detta fungerar dock bara i rum med lite ljus – och det finns nästan alltid åtminstone lite ljus.
Alla objekt producerar ljus
Kanske borde jag säga att alla objekt skapar elektromagnetiska vågor – det gör de. Låt oss titta på ett exempel från ditt hus. Gå in i ditt kök och sätt spisen på hög effekt (om du antar att du har en elektrisk spis). Titta nu bara på den när den blir allt hetare (men rör den inte).
Till slut kommer spiselementet att bli så hett att det kommer att glöda en låg rödaktig färg (red hot). Men i själva verket producerade elementet ljus hela tiden. Det är bara det att vid lägre temperaturer är det elektromagnetiska ljuset i en våglängd som du inte kan se – det är i det infraröda spektrumet.
De flesta saker som du ser omkring dig avger EM-strålning (elektromagnetisk strålning) i det infraröda spektrumet – så du kan inte se det. Du kan faktiskt indirekt se det om du har en fantastisk infraröd kamera (för din telefon). Dessa värmekameror avskiljer det infraröda ljuset och skapar en bild i falsk färg som människor kan se. För det mesta motsvarar olika färger i IR-bilden olika temperaturer hos objekten.
Här är ett exempel. Det här är min hund på ett slätt golv. Lägg märke till att hans ögon och nos är varmare än andra delar av kroppen. Lägg också märke till att du kan se hans infraröda reflektion på golvet.
Rhett Allain
Men fungerar det här för föremål som är varmare än ditt spiselement? Ja. När ett objekt blir ännu varmare skapar det ljus med kortare och kortare våglängder. Så småningom skulle objektet se vitt ut eftersom mer av ljuset med kortare våglängd produceras. Ja, det skulle till och med kunna skapa ultraviolett ljus vid ännu högre temperaturer.
Okej, det var de fem saker som alla bör veta om ljus.