Светлост

Главни чланак: Извори свјетла

 

Под светлосним извором подразумева се свако тело које може емитовати електромагнетне таласе у видљивом делу спектра. Треба напоменути да већина њих емитује и таласе који залазе у суседне области спектра (тј. ултраљубичасту и/или инфрацрвену).^[7] Разликујемо природне (нпр. звијезде) и умјетне (нпр. сијалице или свијеће) свјетлосне изворе. По начину настанка свјетла, могу се подијелити на примарне (термичке) и секундарне (реакционе) изворе свјетла.

Главни извор светлости на Земљи је Сунце. Сунчева светлост пружа енергију коју зелене биљке користе да формирају угљене хидрате углавном у облику скроба, који отпушта енергију у жива бића која га конзумирају. Процес фотосинтезе пружа дословно сву енергију коју користе жива бића. Историјски, још један важан извор светлости за људе је била ватра, од древних огњишта до керозинских лампи. Са развојем електричне струје, електрична расвета је скоро потпуно заменило светлост ватре.

Најчешћи извори светла су термички; тело на одређеној температури емитује карактеристични Спектар зрачења. Једноставни термални извор је сунчева светлост, односно електромагнетно зрачење које емитује хромосфера Сунца на око 6.000 Келвина, већим делом у видљивом спектру^[8] (око 44% енергије сунчеве светлости која досеже до површине Земље је видљиво^[9]). Још један пример су сијалице, које емитују само око 10% своје енергије у облику видљиве светлости, док је остало инфрацрвено. Историјски често коришћен термални извор светла био је пламен, мада такође емитује највећи део зрачења у инфрацрвеном опсегу, а само мали део у видљивом спектру.

Поједине хемикалије производе светлост путем хемолуминисценције, што код живих бића назива се биолуминисценција. На пример, свици тако производе светлост. Неке твари производе светлост кад озраче се, што зове се флуоресценција. Неке твари емитују светлост након што озраче се, што је познато као фосфоресценција. Фосфоресцентни материјали могу се побудити и бомбардовањем субатомским честицама. Тај механизам се користи у катодним цевима телевизора и монитора.

Главни чланак: Оптика

 

Светлост истовремено испољава особине таласа и честица. Светлосна честица је фотон. Свјетлост се од извора на све стране распростире праволинијски. Правци распростирања свјетлости називају се свјетлосне зраке.

Основне су појаве везане уз ширење свјетлости: одраз, преламање, дифракција (огиб), интерференција и поларизација свјетлости. Рефлексија и рефракција настају када зраке свјетлости стигну на границу двају оптичких средстава различите густоће. Тада се дио свјетлости рефлектира, а дио ломи по законима рефлексије и лома. Огиб је одступање од равноцртнога ширења свјетлости када она наиђе на запреку, док се интерференцијом, која настаје комбинацијом свјетлосних валова из двају извора, стварају тамније и свјетлије плохе. Поларизација свјетлости је уређење титрања електричнога и магнетскога поља које настаје међудјеловањем свјетлости и твари: рефлексијом, дволомом или расипањем.

Главни чланак: Фотометрија (оптика)

Фотометрија је грана оптике која се бави мјерењем својстава свјетлости, у смислу њеног доживљеног сјаја у људском оку.^[10] Седам основних фотометријских величина описује својства свјетлости:

Главни чланак: Брзина свјетлости

 

Брзина светлости, која у вакууму износи 299.792.458 метра у секунди, једна је од фундаменталних константи природе. За светлост, као и све типове електромагнетне радијације, је експериментално утврђено да се увек крећу том брзином у празном простору.

Свјетлост се шири коначном брзином ц, која у вакууму износи:

${\displaystyle c\,=\,299\,\,792\,\,458\ \,m/s\,}$ 

Обзиром да је светлост вид електромагнетног зрачења, њена брзина зависи од електричних и магнетних својстава средине кроз коју се креће.^[11] У прозирним материјалима брзина свјетлости је мања и мијења у омјеру:

${\displaystyle c_{mat}={c \over n}}$ 

гдје је: н - индекс лома за одређени материјал. Индекс лома овиси о фреквенцији свјетлости и увијек је већи од јединице. Према релативистичкој физици, брзина свјетлости у вакууму универзална је константа, једнака у свим суставима, без обзира на њихову релативну брзину. Она је уједно највећа могућа брзина ширења сигнала.^[12]

Прву познату научну методу за мерење брзине светла извео је дански астроном Оле Кристенсен Ремер 1675. године.

Главни чланак: Радијациони притисак

Светлост врши физички притисак на објекте на свом путу. Овај феномен се може извести из Максвелових једначина, мада се може једноставније објаснити честичном природом светлости: фотони се сударају са материјом и преносе свој моменат. Тлак светлости је једнак снази светлосног зрака подељеној са ц, брзином светлости.  Услед велике магнитуде брзине ц, ефекат притиска светлости је занемарљив у контексту свакодневних објеката.  На пример, ласерски поинтер снаге једног миливата врши силу од око 3,3 пико њутна на осветљени објекат; стога је у принципу могуће подигнути новчич од једне УС центе помоћу ласерских поинтера, али је за то неопходно употребити око 30 милијарди поинтера снаге 1 мW.^[13]  За разлику од тога, у апликацијама на нанометарској скали, као што су наноелектромеханички системи (НЕМС), ефекат притиска светла може да буде значајан, и стога се истражује могућа експлоатација притиска светлости као погонске силе НЕМС механизама и физичких прекидача нанометарске величине у интегрисаним колима.^[14]

На већим размерама, притисак светлости може да узрокује убрзавање обртања астероида,^[15] путем деловања на њихове ирегуларне облике попут лопатица на ветрењачи.  Могућност прављења соларних једара која би покретала свемирске бродове се такође истражује.^[16][17]

Главни чланак: Видљиви спектар

љубичаста	380–450 нм
плава	450–495 нм
зелена	495–570 нм
жута	570–590 нм
наранџаста	590–620 нм
црвена	620–750 нм

Људско око реагује само на врло ограничени распон таласаних дужина, на видљиви спектар. Међутим, оно одлично распознаје и врло мале разлике унутар тог распона. Те мале разлике називамо боје. Видљив спектар се састоји од шест чистих боја:

• љубичаста (највећа фреквенција, најкраћа таласна дужина)
• плава
• зелена
• жута
• наранџаста
• црвена (најнижа фреквенција, најдужа таласна дужина)

Спектар не садржи све боје које људи могу разликовати. На пример, боје попут ружичасте или магенте недостају, јер се могу начинити само из мешавине више валних дужина. Боје које садрже само једну валну дужину се називају чистим или спектралним. Бијела свјетлост састављена је од свих боја видљивог спектра.

У пракси, боја неког тијела је фреквенција електромагнетног зрачења коју тијело рефлектује. Бијелим изгледа тијело које једнако рефлектује читав видљиви спектар. Црним изгледа тијело које потпуно апсорбује читав спектар. Црна боја није боја већ одсуство боје. Људски мозак не прима никакав сигнал приликом гледања у црну боју. Вегетација апсорбира црвену и плаву свјетлост, а рефлектује зелену, па нам зато биљке изгледају зелено. Исто тако, ружа упија све боје осим црвене, а само црвену рефлектује. Све боје које видимо на Земљи су само таласне дужине сунчеве свјетлости које се рефлектују.

Краће се валне дужине учинковитије шире по зраку него дуже. Небо је плаво зато јер се кратке таласне дужине (плава) најбоље шире.

Према адитивном принципу, све боје су комбанације РГБ (енгл. red, green, blue - црвено, зелено, плаво), значи да је могуће сваку боју направити њиховом комбинацијом.

Главни чланак: Доплеров ефекат

 

Доплеров ефекат је промена учесталости вала у односу на посматрача, који се креће релативно на његов извор.^[18] Ако растојање између пријемника и предајника се смањује, фреквенција расте, а ако растојање између пријемника и предајника расте, фреквенција опада. На пример, Доплеров ефекат можемо приметити у промету: сирена возила док нам се приближава другачија је од оне коју чујемо док се од нас одаљава.

Изузетно је значајна примена Доплеровог ефекта у астрономији, астрофизици, медицини. У астрономији се примјеном Допплерова учинка мјери брзина радијалнога гибања небеских тијела (на примјер мале промјене брзине звијезда под утјецајем планета, брзине гибања галактика) или њихових дијелова (брзина ротације, брзина пулсирања). У промету се с помоћу Допплерова учинка и радара може одредити брзина кретања возила; у медицини, брзина протока крви (ехосонографија).^[19]

Теорије о нарави свјетлости развијале су се и мијењале како су се откривала њезина својства. Проучавање природних феномена, као што су дуга и поларна свјетлост, нуде мноштво наговештаја о нарави светлости.

Главни чланак: Корпускуларна теорија светла

Корпускуларна или честична теорија светла се заснива на претпоставци да се свјетлост састоји од роја ситних честица које се гибају неком брзином. У већини теорија разрађених до XVIII века, светлост је посматрана као мноштво честица. Једна од првих теорија те врсте била је изложена у „Књизи о оптици“ Ибна ал Хајтама 1021. године. У њој је тај научник посматрао светлосни зрак у виду низа малених честица које не поседују никаква квалитативна честична својства осим енергије.^[20]

Заступао ју је и Исаац Неwтон 1672. како би објаснио равноцртно гибање свјетлости те појаве лома свјетлости (рефракција) и одбијања свјетлости (рефлексија).^[21]

 

Неwтонов ауторитет засјенио је готово истодобну теорију C. Хуyгенса која је свјетлосне појаве описала с помоћу валнога гибања хипотетичнога савршено еластичнога средства. Оле Рøмер је био дански астроном који је 1676. први измјерио брзину свјетлости. Почетком 19. стољећа откривене су интерференција и огиб (дифракција) свјетлости (Т. Yоунг; А. Ј. Фреснел), а вална је теорија свјетлости у нешто измијењеном облику опет враћена јер су се те појаве могле објаснити само претпоставком о валној нарави свјетлости. Мјерењем брзине ширења свјетлости у различитим прозирним средствима (1849.) установљено да се брзина светлости мијења супротно Неwтоновим предвиђањима. Једино је остало отворено питање хипотетичнога средства, етера, којим се валови свјетлости шире. Етер је морао бити без масе, а ипак имати савршена еластична својства.

Главни чланак: Електромагнетско зрачење

Откриће поларизације свјетлости упутило је на везу између свјетлости и електромагнетских појава. Електромагнетска теорија свјетлости Ј. C. Маxwелла (1873.) објаснила је све до тада познате појаве. По тој теорији, свјетлост је електромагнетски вал врло високе фреквенције, који титра окомито на смјер властитога ширења. Покуси Х. Р. Хертза (1886.) показали су исправност Маxwеллове теорије. Електромагнетно зрачење можемо представити као рој честица које се називају фотони. Сваки фотон носи одређену количину енергије. Спектар електромагнетног зрачења укључује: радиовалове, микровалове, инфрацрвено зрачење, видљиво зрачење (свјетлост), ултраљубичасто зрачење, рендгенско зрачење (X-зраке) и гама зрачење (γ-зраке).

Електромагнетна зрачења се разликују једино фреквенцијом. Свјетлост мање енергије има мању фреквенцију и већу валну дужину, а она с више енергије већу фреквенцију и мању валну дужину. Вална дужина светлости је повезана са фреквенцијом преко константе брзине:

${\displaystyle c=\lambda \cdot f}$ 

При чему су:

${\displaystyle c}$  - брзина светлости

${\displaystyle \lambda }$  - вална дужина

${\displaystyle f}$  - фреквенција

1887. године Мицхелсон–Морлеyјев експеримент је обеснажио стољетну теорију о постојању етера и придонио спознаји како је брзина свјетлости универзална константа.

Главни чланак: Вално-честични дуализам

 

W. Халлwацхс (1888.) открио је да свјетлост, када пада на метал, избацује електроне из њихових стационарних стања на површини метала. П. Ленард установио је да се закони фотоелектричног учинка не могу ускладити с начелима валне теорије. Супротно валној теорији, енергија избачених електрона била је неовисна о свјетлосној јакости, а размјерна фреквенцији свјетлости. А. Еинстеин (1905.) поновно је поставио теорију свјетлости на корпускуларне темеље. Према Еинстеину, свјетлост је рој честица, фотона, којих је енергија дана Планцковим изразом:

${\displaystyle E=h\cdot \nu }$ 

гдје је: х - Планцкова константа, а ν - фреквенција. Фотони су честице свјетлости којима је маса мировања нула, а шире се брзином свјетлости.

Квантна теорија објашњава дуалистичку вално-честичну нарав свјетлости, која се недвојбено показује у појавама интерференције и фотоелектричног учинка. По тој теорији, свјетлост настаје квантним пријелазима електрона из једног енергетскога стања у атому (или у кристалној решетки) у друго. Електрони су у атомима распоређени по стањима одређене енергије (квантна стања) и док се налазе у тим стањима, не емитирају енергију. При пријелазу електрона у квантно стање ниже енергије, разлика у енергији емитира се као квант електромагнетскога зрачења.

Врста емитиранога зрачења овиси о разлици енергије почетног и коначнога стања. Ако је разлика толика да се фреквенција зрачења налази између 4∙10¹⁴ и 8∙10¹⁴ Хз, емитирана енергија има облик видљиве свјетлости. На исти начин објашњава се и апсорпција свјетлости: квант свјетлости, предајући своју енергију електрону, пребацује га из стања ниже у стање више енергије. Како су само нека енергетска стања у атому могућа, јасно је да ће свако тијело апсорбирати управо оне фреквенције које и само емитира. Тако емитирани квант енергије шири се простором у облику електромагнетскога вала. У квантној теорији свјетлости процеси емисије и апсорпције свјетлости тумаче се корпускуларно, док се ширење свјетлости и појаве повезане с тиме тумаче валном теоријом свјетлости. Вално-честични дуализам проширен је и на твар и темељ је схваћања природе.

У средњевековној филозофији, светлост је често поистовећивана са богом. За Августина, бог је "интелигибилна светлост", која осветљава људску душу.^[22] Као што сунчева светлост чини предмете видљивим за око, тако божанска светлост чини вечне истине видљивим за дух. По њему, природна светлост разума значи учествовати у тој божанској светлости.^[23] Према псеудо-Дионисију, бог "јесте преобилан извор и коначна сврха стварања", из којег "долази светлост која је лик добра". Стога се добро описује именом светлост, будући праоблик оног што се открива у лику.^[24]

У филозофији Роберта Гроссетестеа средишња је идеја светлости. По њему је светлост прва телесна форма. Она се спаја са материјом (аристотелском првом материјом) и конституише једноставну супстанцију без димензија. По њему, светлост јесте прва телесна форма, услед своје природе да се распросторе, будући да би за прву телесну форму не би било могуће да преко друге форме доведе до простирања. Штавише, светлост је најузвишенија од свих форми и највише слична уму.^[25] Светлост се распростире у свим правцима, "сферично", формирајући најудаљенију сверу, небески свод на најудаљенијој тачки свог простирања, и та сфера се просто састоји из светлости и прве материје. То распростирање се дешава самоумножавањем и рађањем светлости.^[25]

По Бонавентури, у телесним творевинама постоји једна супстанцијална форма коју имају сва тела, а то је светлост. Светлост је, по његовим мишљењу, телесна.^[26] Мада је божанска светлост тако дубоко у нама, она је невидљива: ми можемо закључити о њеном присуству само на основу посматрања њених учиниака.^[27]

Рогер Бацон у IV тому свог капиталног дела Опус Мајус посвећује значајну пажњу природним наукама, те пише о физичким својствима светлости и њеном ширењу, одбијању и преламању.^[28] У петом тому пише о оптици, структури ока, те основним законима виђења.

• Фотон
• Брзина светлости
• Сунчева светлост
• Видљиви спектар

 

Светлост на Wикимедијиној остави

• Светлост Архивирано 2014-08-18 на Wаyбацк Мацхине-у
• О светлости и њеној двојној природи