Teorier for lys: Stråleteori, elektromagnetisk bølgeteori og kvanteteori. Kvanteteorien er den mest generelle, og omfatter den elektromagnetiske bølgeteorien, som igjen omfatter stråleteorien.
Lys, også kalt synlig lys, er elektromagnetisk stråling som menneskeøyet kan registrere. Lys kan også defineres som den sanseopplevelsen synet oppfatter.
Menneskets øye kan registrere elektromagnetisk stråling med bølgelengder som ligger mellom cirka 400 og 750 nanometer. Det er dermed denne delen av det elektromagnetiske spekteret som kalles synlig lys. Stråling med kortere bølgelengde enn dette kalles ultrafiolett, mens infrarød stråling har lengre bølgelengde enn synlig lys.
Modelldemonstrasjon av interferens mellom to ringbølgetog. To lysbilder av det samme ringbølgesystemet er lagt over hverandre. I det venstre og det høyre bildet er avstanden mellom bølgesentrene henholdsvis et like og et odde antall halve bølgelengder. Dette gir to komplementære fordelinger av lys og mørke i interferensbildet.
Det finnes grovt sett tre teorier for lys (se figur): Stråleteori, elektromagnetisk bølgeteori og kvanteteori.
Stråleteorien er den enkleste. Der beskrives lys med rette linjer. Linjene endrer retning i forbindelse med brytning og refleksjon, slik som i linser og speil. Stråleteorien kalles også geometrisk optikk.
En elektromagnetisk lysbølge har et elektrisk felt (E) som står vinkelrett på forplantningsretningen, og som varierer med tiden. Bølgen har også en magnetisk flukstetthet (B) som står vinkelrett på E og på forplantningsretningen, og som varierer i samme takt som E. Når feltvektorene er orientert i bestemte retninger, slik som i figuren, sier man at strålen er polarisert. Lys som er reflektert fra forsiden av en glassplate, er fullstendig polarisert med det elektriske feltet svingende parallelt med glassplaten, hvis innfallsvinkelen er 56°.
Interferens fra myrvann: Dette er ikke olje, men en film av jern(III)hydroksid (en form for rust) på myrvann. Filmen er så tynn at det ikke er rustfargen vi ser, men et interferensfenomen: Noe av lyset reflekteres fra undersiden av filmen, og noe fra oversiden av filmen. De to reflekterte lysbølgene legger seg oppå hverandre og gjør at enkelte farger forsterkes (konstruktiv interferens) og andre blir svekket (destruktiv interferens).
Den elektromagnetiske bølgeteorien beskriver lys som en bølge av elektriske og magnetiske felter. Bølgen utbres med lyshastigheten c. Frekvensen f til bølgen er gitt av f = c/λ, der c er lyshastigheten og λ er bølgelengden. Det elektriske feltet kan svinge i en bestemt retning – vi sier da at lyset er polarisert.
Den elektromagnetiske bølgeteorien kan forklare interferens-fenomener som for eksempel fargespillet fra en CD-plate eller en oljefilm, og diffraksjon (bøyning). Den brukes også til å beskrive polarisasjonseffekter, som for eksempel virkemåten til polariserende solbriller.
Kvanteteorien (kvanteoptikk) omfatter begge de to andre, og er den mest generelle teorien for lys. Det er i kvanteteorien for lys at man snakker om fotoner – at lyset er kvantisert. Denne teorien trengs når man skal forklare hvordan lys oppstår eller detekteres i form av energipakker (fotoner), for eksempel når lyset genereres i en lysdiode eller i en laser, og når lyset gir et signal i øyet eller i en elektronisk detektor.
Selv om kvanteteorien for lys er en klar teori beskrevet med matematikk, er det ikke alltid rett fram å få en intuitiv følelse av den. Noen ganger minner den om en partikkelbeskrivelse, og noen ganger om en bølgebeskrivelse. Dette kalles ofte for partikkel-bølge-dualitet. Legg imidlertid merke til at det er én kvanteteori for lys som i prinsippet kan brukes i alle tilfeller. Det er intuisjonen til oss mennesker som må velge mellom bølge eller partikkel.
På samme måte som man bør bruke Newtons lover og ikke Einsteins generelle relativitetsteori til å beskrive et eple som faller ned, bør man bruke den enklest mulige teorien til å beskrive et lysfenomen. Det er for eksempel lite hensiktsmessig å snakke om «fotoner» når man skal beskrive hvordan fargene i en regnbue oppstår – dette forklares med bølgeteorien ved at lysbrytningen i regndråpene er avhengig av bølgelengden.
Lyshastighet. Den første eksperimentelle påvisning av at lyset brer seg ut i verdensrommet med en endelig hastighet ble gjort av den danske astronomen Ole Rømer i 1676, på grunnlag av observasjoner av den innerste Jupitermånens formørkelser. Rømer bestemte først tidspunktet for stilling A, hvor Jorden og Jupiter står hverandre nærmest og den innerste av Jupiters måner beveger seg inn i Jupiters skygge (formørkes). Rømer kjente denne månens omløpstid (ca. 42,5 timer) såpass nøyaktig at han kunne beregne tidspunktene for de følgende formørkelser for lang tid fremover, også for stilling B, hvor Jupiter og Jorden står på motsatte sider av Solen. (Jupiters omløpstid rundt Solen er ca. 12 år.) Det viste seg imidlertid at formørkelsene i stilling B inntraff ca. 1300 sekunder senere enn beregnet. Rømer antok at forsinkelsen oppstod fordi avstanden fra Jupiter til Jorden er større i stilling B enn i stilling A. Forskjellen er lik jordbanens diameter, som ble antatt å være 3·1011 meter. Lysets hastighet, c, skulle da være 3·1011 meter/1,3·103 sekunder = 2,3·108 m/s. Begynnelse og slutt for Jupiters måneformørkelser er ikke ledsaget av farger. Dette tyder på at lysets hastighet i det tomme rom (vakuum) er uavhengig av bølgelengden. Størrelsesforholdene i figuren er ikke korrekte.
I vakuum er lyshastigheten c = 299 792 458 meter per sekund (m/s) ≈ 3,0·108 m/s. Denne hastigheten er uavhengig av hastigheten til lyskilden eller den som observerer. Dette er utgangspunktet til relativitetsteorien.
I et medium må det i prinsippet skilles mellom fasehastighet og gruppehastighet, se lyshastighet. Fasehastigheten er den hastigheten som én enkelt bølge (det vil si en bølge med én enkelt frekvens) beveger seg med, og er gitt av c/n, der n er brytningsindeksen.
Kommentarer
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.