Въведение в светлината

В този клип искам да представя накратко природния феномен, който наричаме светлина. А светлината, поне за мен, е мистериозно понятие – от една страна тя наистина определя разбирането ни за реалност. Може би дори е част от дефиницията на реалност за много от нас, защото всичко, което виждаме и възприемаме, всъщност е светлината, която отскача от различни предмети, или се извива или разслоява около тях, след което влиза в очите ни и после се изпращат сигнали към мозъка ни, който построява модели на света около нас. Всичко това е почти определяща характеристика на реалността ни. Но в същото време, ако започнеш да експериментираш и да изучаваш светлината, виждаш, че тя проявява странни свойства, които до голяма степен все още не са напълно разбрани. Може би най-изненадващото нещо относно светлината... Е, има страшно много изненадващи неща при светлината, но когато я разгледаме подробно – и това не се отнася само до светлината, а до почти всичко при задълбаване до нивото на квантовата механика – светлината се държи както като вълна, така и като частица. Този факт може би не ти звучи много интуитивен, да си призная, и за мен не е много интуитивен! От опита ми досега съм свикнал някои неща да се държат като вълни, например звукът или морските вълни. Други неща пък съм свикнал да се държат като частици. Като баскетболните топки или примерно чашата ми за кафе. Но не съм свикнал с неща, които се държат и по двата начина! А това зависи от експеримента, чрез който решим да разгледаме светлината. Когато я разглеждаме като частица, което идва от работата на Айнщайн относно фото-електричния ефект, в който няма да се задълбочавам сега, но може би по-късно, когато започнем да мислим за квантовата механика. Можеш да разглеждаш светлината като низ от частици, които се движат със скоростта на светлината. Ще разгледам този случай след минутка. Тези частици се наричат фотони. Ако разглеждаме светлината по други начини, например когато при светлинен лъч, пречупен през призма, тогава светлината прилича на вълна. И притежава свойствата на вълна. Има си честота, както и дължина на вълната. И като други вълни, скоростта на вълната е равна на честотата по дължината [v = f * ламбда]. Дори да разгледаме светлината като вълна, без да я разглеждаме като частица, пак е впечатляваща, защото повечето вълни изискват среда, в която да се придвижват. Например може да помислиш как звукът се движи през въздуха. Нека нарисувам няколко частици въздух. Ето ги тук. Ще нарисувам и звукова вълна, която се движи през тези частици. В звуковата вълна някои частици се сгъстяват, като по този начин сгъстяват и съседите си. Така се получават места във въздуха с по-високо налягане и места с по-ниско налягане; Можем да разчертаем този феномен. По-високо налягане ето тук. Високо налягане, ниско налягане, високо налягане, ниско налягане... И вълната се движи, когато тези неща се удрят едно в друго. В този случай движението е надясно; Ще видим същото нещо и на графиката. Всичко това се базира на тази енергия, която се движи през някаква среда. Аз обикновено си представям вълните по този начин. Но светлината не се нуждае от среда! Светлината не се нуждае от среда. Тя дори се движи най-бързо през нищото, тоест във вакуум. И това става с изключително висока скорост: 3*10^8 м/с Изразено по друг начин: Това са 300 милиона метра в секунда. Или може да си го представим по този начин: за по-малко от една седма от секундата светлината ще обиколи Земята. Или: това са седем обиколки на земята в рамките на секунда. Накратко, невероятно бързо! А това не е просто супер висока скорост, или пък просто някаква невероятна скорост, а ни казва и че светлината е нещо фундаментално за вселената, защото тя не е просто висока, а е най-високата скорост, която е позната, и въобще е възможна във физиката. Отново, това е нещо, с което не сме свикнали от всекидневието си. Ние си представяме, че ако нещо се движи с определена скорост и ако някаква мравка се движи върху това нещо в същата посока, то мравката ще е е дори по-бърза. Обаче нищо не може да надмине скоростта на светлината! Абсолютно невъзможно, поне според модерните разбирания във физиката. Скоростта на светлината не е просто най-високата скорост, но е и най-високата възможна. Най-високата възможна скорост. Това тук е само приблизителна стойност; истинската скорост всъщност е 2,99 и т.н. по 10 на 8-ма степен метра в секунда. Но пък 3 по 10 на 8-ма е доста добро приближение. Вероятно си наясно с цветовете във видимия спектър. (ще поговорим по-общо за светлинния спектър по-късно). Сигурно си представяш цветовете, наредени като в дъга, а дъгата всъщност се получава, защото светлината от слънцето, бялата светлина, се пречупва през малките капки вода във въздуха. Същият феномен се вижда по-ясно, когато погледнем светлина, пречупена през призма, като например тази тук. Различните цветове се получават заради разликата в дължината на вълната. Бялата светлина съдържа всичките дължини на вълната от видимия спектър. Тези вълни с различни дължини се пречупват по различен начин в призмата. В този случай дължините на вълните, които се свързват с по-високите честоти, виолетовото и синьото примерно, се пречупват повече, или се "отклоняват", или поне посоката им се сменя повече, отколкото вълните с по-ниски честоти като червеното и оранжевото като ето тук. Ако са ти интересни дължините на вълните във видимия светлинен спектър, те са между 400 нанометра и 700 нанометра. Колкото по-висока е честотата, толкова повече е енергията на светлината. Ще стане дума за това, когато заговорим за квантовата механика на светлината. По-високата честота означава, че всеки от фотоните има по-висока енергия. Това им дава по-добра възможност да прехвърлят кинетична енергия, чрез която да "избиват" електрони, или за каквото друго им трябва. Колкото по-висока е енергията... нека го запиша: "по-висока честота означава повече енергия" Досега говорих доста за видимата светлина. Сигурно се питаш: "А каква светлина има освен видима?" Ще видим, че видимата светлина е просто част от много по-общ феномен; това е само частта, която окото ни е способно да възприеме. Но нека разширим малко темата. Видимата светлина е просто част от електромагнитния спектър. С други думи, светлината е просто електромагнитна радиация. Записвам: "електромагнитна радиация" И всичко, което съм казал до момента за светлината, като това, че се държи и като вълна, и като частица, то тези неща не се отнасят само за видимата светлина. Това са свойства на всички видове електромагнитна радиация. При много ниски честоти, или при много дълги вълни говорим за радио вълни. Именно тези радио вълни, чрез които слушаме радио в колата, или пък които пренасят гласа ни между клетъчния телефон и местната телефонна кула. Микровълните са нещата, които карат водните молекули да вибрират в храната ти, за да се стопли. Инфрачервените вълни пък се излъчват от телата ни и позволяват на инфрачервените камери да ни "виждат" дори през стени. Видимата светлина... Ултравиолетовата светлина, която идва от слънцето и кара кожата ни да изгори на плажа. Рентгеновите лъчи! Тази радиация ни позволява да виждаме през меките тъкани и да получим изображение на костите ни. Гама лъчите! Супер-висока енергия, която идва от квазарите и няколко други природни феномени. Всичките тези неща са различни проявления на същото нещо! Просто окото ни се е научило да възприема част от този спектър като видима светлина! Може би се питаш: "Тогава как така можем да възприемаме само определени честоти от спектъра? Как така виждаме само определени честоти?" Наистина, ние виждаме тези честоти с нашите очи. Причината, или поне моето предположение, е: Слънцето изпраща много енергия на земята в точно тази част от електромагнитния спектър. С цялата тази енергия, която се удря в земята, хората и другите животни оцеляват, като виждат какво има около тях, използвайки същата тази отразена енергия, или по-точно електромагнитна енергия; най-голям смисъл има да виждаме нещата около нас чрез този тип елетромагнитна радиация, от която просто има най-много. В този смисъл, възможно е други видове, или същества от други планети, да възприемат по-различен спектър, например ултравиолетово лъчение, или пък инфрачервеното. Дори и на Земята различните видове животни се справят по-добре с различни части от спектъра. Ние пък виждаме доста добре точно в този диапазон, от който Слънцето изпраща доста от енергията си на Земята. Това дотук беше добър първи преглед на светлината. И ако някоя част от материята ти изглежда малко странна, трудна за разбиране, или дори объркваща, като например да бъдеш едновременно частица и вълна, или пък движението на енергия през нищото: Не се стряскай! Дори и най-добрите физици не съумяват да вникнат напълно в тази материя. Което май вече те поставя в научния елит на света на физиката!