5 věcí, které by měl každý člověk vědět o světle

5 věcí, které by měl každý člověk vědět o světle

2015 je Mezinárodním rokem světla (ale univerzální rok světla je v roce 2533). Myslím, že se všichni shodneme na tom, že světlo je velmi důležité téměř ve všech aspektech našeho života. Jaké jsou však klíčové věci, které by o něm měl každý člověk vědět? Dobře, vynechám lidi mladší 7 let. Mladší děti pravděpodobně vědí o světle spoustu věcí (protože ho neustále používají) – ale zatím si s nimi nedělejme starosti. Pokud je vám tedy více než 7 let, dávejte pozor.

Zobrazit více

Světlo je vlna

Co je to vlna? Začněme příkladem. Hoďte kámen do louže a uvidíte něco takového:

Kámen vytvoří ve vodě poruchu (vlnění). Tato porucha se pohybuje radiálně směrem ven z místa dopadu kamene. Směrem ven se pohybuje tato porucha, nikoliv molekuly vody – ty se pouze pohybují nahoru a dolů. Něco podobného můžete udělat s délkou provázku. Položte ji na podlahu a pokračujte v třepání jednoho konce. Porucha se šíří po provázku dolů (těžký provázek funguje lépe).

Podívejme se na případ vlny šířící se po provázku. Můžeme uvažovat o 4 vlastnostech:

Tyto 4 vlastnosti jsou:

• Amplituda: je to velikost posunutí pro danou poruchu. Jednotky pro amplitudu závisí na typu vlny. Pro strunu by jednotkami byly metry.
• Rychlost vlnění: pokud byste sledovali jedno posunutí, bude se pohybovat. Rychlost vlnění je rychlost (to se zdá být nadbytečné). Jednotkou pro rychlost vlnění jsou metry za sekundu.
• Vlnová délka: je to vzdálenost od jednoho vyrušení k dalšímu měřená v metrech
• Frekvence: kdybyste spočítali, kolik vln prošlo nehybným bodem za každou sekundu, byla by to frekvence (v cyklech za sekundu nebo v hertzech).

Poslední tři vlastnosti spolu souvisejí. Rychlost vlnění je rovna součinu vlnové délky a frekvence.

Světlo je tedy vlnění. To znamená, že má všechny výše uvedené vlastnosti a může dělat vlnové věci, například:

• Rozšiřovat se a vyzařovat do všech směrů (jako žárovka nebo vlny ve vodě způsobené kamenem).
• Rušit jiné vlny.
• Ohýbat se kolem rohů (ano, světlo to dělá – ale je to těžko vidět).
• Přenášet energii a hybnost.
• Interagovat s hmotou.

Světlo dělá všechny tyto věci.

Světlo je elektromagnetické vlnění

Můžeš si vytvořit vlastní vlnu. Vezmi dlouhý prodlužovací kabel a natáhni ho na zem. Nyní jedním koncem svisle zatřes. Mělo by vzniknout něco takového (tento gif je zpomalený):

Nyní prodlužovací kabel odejmi a demonstraci zopakuj. Ano, nic se nestane. Pokud nemáte médium, kterým by se vlna šířila, žádná vlna nevznikne. Ale co světlo? Světlo je přece vlna, ne? Ano, skutečně (jak jsem popsal výše). Jak tedy světlo cestuje prázdným prostorem, když se dostává od Slunce k Zemi? Jaké je prostředí pro světelnou vlnu?“

Ukázalo se, že existují dvě důležité věci týkající se elektrického a magnetického pole. Za prvé, zde je drát vedoucí elektrický proud přes magnetický kompas. Elektrický proud vytváří magnetické pole, které způsobuje otáčení ručičky kompasu.

Ale k vytvoření magnetického pole ani nepotřebujeme elektrický proud. Ukazuje se, že měnící se elektrické pole vytvoří také magnetické pole. Zde je cívka drátu připojená k žárovce (bez baterie). Když ji umístíme nad toto měnící se magnetické pole, vytvoří se měnící se elektrické pole, které pohání proud.

Máme tedy měnící se elektrické pole, které vytváří magnetické pole, a měnící se magnetické pole vytváří elektrické pole. Spojíme-li tyto dvě myšlenky dohromady, můžeme vytvořit dvě vlny (a vlnu elektrického pole a vlnu magnetického pole), které obě způsobují šíření té druhé. Elektromagnetické vlny nepotřebují médium, protože jsou v jistém smyslu svým vlastním médiem.

Různé vlnové délky světla různě interagují s hmotou

Nejprve je tu elektromagnetické spektrum. Můžete vytvořit elektromagnetické vlnění všech různých vlnových délek – od větších než 1 metr (rádiové vlny) až po menší než 10 pikometrů (gama záření – ale stále jsou to vlny). Zde je běžná klasifikace elektromagnetického spektra jdoucí od velkých vlnových délek k malým.

• Rádiové
• Mikrovlny
• Infračervené
• Viditelné světlo
• Ultrafialové
• X-záření
• Vlnové záření

.paprsky (ale jsou to vlny)

• Gama paprsky

Všechno to jsou elektromagnetické vlny a všechny se šíří stejnou rychlostí (rychlostí světla). Mají však různé interakce s hmotou. Pokud jste uvnitř, váš mobilní telefon může stále získávat data z mobilní věže, protože tyto rádiové vlny procházejí většinou stěn. Vidíte skrz zdi? Ne, viditelné světlo většinou zdí neprochází. Rentgenové záření většinou prochází kůží, ale nemůžete vidět (viditelným světlem) skrz kůži – to by bylo prostě divné.

Technicky interakce se světlem a hmotou závisí na frekvenci světla – ale protože frekvence a vlnová délka spolu souvisí, můžeme mluvit jen o vlnové délce.

Vidíš věci, když ti světlo vnikne do oka

Ok, tohle není jen o světle, ale také o tom, jak funguje člověk.

Existují dva způsoby, jak může světlo vniknout do oka. Zaprvé může existovat zdroj světla (například žárovka), který světlo vytváří. Toto světlo pak putuje do vašeho oka a BUM – váš mozek tento signál interpretuje jako světlo. Druhý způsob (častější) je vidět věci pomocí odraženého světla. Předpokládejme, že se díváte na tužku. Světlo se (odněkud) odráží od tužky a pak do vašeho oka.

Ale co se stane, když do vašeho oka žádné světlo nepronikne? Co když jste na místě, kde není absolutně žádný zdroj světla? V takovém případě vnímáte černou barvu. Vlastně to může být zábavná otázka. Zeptejte se někoho takto:

Byl/a jste někdy na místě, kde není absolutně žádné světlo? (Většina lidí ne) Kdybyste se ocitli v místnosti, která je úplně tmavá, co byste viděli? Co se stane po dlouhé, dlouhé době čekání?“

Jednou z velmi častých odpovědí je, že uvidíte všechno jako černé – zpočátku. Tito lidé také řeknou, že po nějaké době si vaše oči zvyknou a pak něco uvidíte. Správná odpověď je, že uvidíte jen černou barvu – navždy. Pokud do vašeho oka neproniká žádné světlo, pak prostě uvidíte černou. Běžná představa vychází z běžné zkušenosti. Za normálních okolností, pokud jste v tmavé místnosti, se vaše oči skutečně přizpůsobí. Funguje to však pouze v místnostech s trochou světla – a tam je téměř vždy alespoň trochu světla.

Všechny předměty vytvářejí světlo

Možná bych měl říci, že všechny předměty vytvářejí elektromagnetické vlny – vytvářejí. Podívejme se na příklad z vašeho domu. Jděte do kuchyně a zapněte sporák na nejvyšší výkon (za předpokladu, že máte elektrický sporák). Teď ho jen pozorujte, jak se zahřívá (ale nedotýkejte se ho).

Koneckonců se prvek sporáku rozžhaví natolik, že začne slabě červeně zářit (red hot). Ve skutečnosti však prvek po celou dobu vydával světlo. Jde jen o to, že při nižších teplotách je elektromagnetické světlo ve vlnové délce, kterou nevidíte – je v infračerveném spektru.

Většina věcí, které vidíte kolem sebe, vyzařuje EM (elektromagnetické) záření v infračerveném spektru – takže ho nevidíte. No, ve skutečnosti ji nepřímo vidět můžete, pokud máte úžasnou infračervenou kameru (pro váš telefon). Tyto termokamery detekují infračervené záření a vytvářejí falešný barevný obraz, který lidé mohou vidět. Většinou různé barvy v infračerveném obraze odpovídají různým teplotám objektů.

Tady je příklad. Toto je můj pes na hladké podlaze. Všimněte si, že jeho oči a nos jsou teplejší než ostatní části těla. Také si všimněte, že na podlaze je vidět jeho infračervený odraz.

Funguje to ale i u objektů teplejších než vařič? Ano. Jak se objekt ještě více zahřívá, vytváří světlo se stále kratšími vlnovými délkami. Nakonec by se objekt jevil jako bílý, protože vzniká více světla s kratší vlnovou délkou. Ano, při ještě vyšších teplotách by mohlo vznikat i ultrafialové světlo.

Ok, to je pět věcí, které by měl každý vědět o světle.