Czym jest światło?

Na pytanie postawione tak śmiało w tytule rozdziału słownik, czy encyklopedia usłużnie nam podpowiedzą, że: 
światło jest falą elektromagnetyczną.

Najczęściej też większość typowych źródeł dokładniej określi, że długość owej fali zawiera się w pobliżu połowy milionowej części metra (pół mikrometra).
To, że właśnie taka długość fali elektromagnetycznej jest przed ludzi widziana, wynika budowy i z specyficznych właściwości oka. 
Okazuje się, że narządy wzroku niektórych  zwierząt są w stanie rejestrować fale elektromagnetyczne, podobne pod wieloma względami do światła, jednak niewidzialne dla oka ludzkiego.

Inną dość ważną informacją jest fakt, że światło rozchodzi się w z ogromną prędkością - różną w w różnych przezroczystych ośrodkach materialnych, a największą w próżni (ok. 300 tys. km/s). Np. w szkle prędkość ta spada do wartości ok. 200 tys. km/s.  

Jak przypuszcza autor tego tekstu, choć wszystko wyżej napisane jest prawdą, to zapewne i tak niewiele powie przeciętnemu obywatelowi kraju, w którym obowiązuje kolejny z najlepszych ustrojów politycznych. Bo ciągle będzie mu dźwięczało pytanie:
Ale "czym" właściwie jest to światło?
Niestety, natura światła wciąż jest pewną zagadką, jako że nie znamy w pełni natury "medium" owej fali elektromagnetycznej, czyli samego zjawiska elektromagnetyzmu, a do tego nie wszystkie aspekty ruchu falowego są zrozumiałe. A przecież „falowość” światła to tylko jeden aspekt jego natury – ma ono dodatkowo drugie swoje oblicze: kwantowo – korpuskularne (słowo „korpuskularny”  jest trudne słowo do wymówienia, ale znacznie trudniejsze do zrozumienia od strony idei, którą ma wyrażać...), co z grubsza oznacza, że światło ma także cechy strumienia cząstek.

Wyobrażenie światła

Światło można sobie wyobrażać jako skrawek nieustannie pulsującego pola elektromagnetycznego. Skrawek ten z ogromną prędkością pędzi przez pustą przestrzeń, lub przez przezroczysty ośrodek materialny. 
Co to jest pole elektromagnetyczne? 
- Ogólnie – składa się ono z dwóch pól prostszych, ściśle sprzężonych ze sobą – z pola elektrycznego i pola magnetycznego. 

Teraz o owych polach:

	Pole elektryczne rozpędza swobodne ładunki elektryczne, lub zakrzywia ich tor. W życiu codziennym z czystą postacią pola elektrycznego spotykamy się podczas czesania suchych włosów - gdy ruch grzebienia powoduje powstawanie iskier (więcej informacji o polu elektrycznym znajduje się w rozdziale Pole elektryczne).
	pole magnetyczne może wyłącznie zakrzywiać tor ładunku, ale może też działać siłą na przewodnik z prądem. Pole to jest wytwarzane przez przewodniki z prądem, poruszające się ładunki, a także magnesy trwałe.

I to właśnie dwa pola tego rodzaju, ściśle powiązane ze sobą, gdy zostają wysłane w przestrzeń, to będą w niej lecieć z prędkością prawie 300 tys. km/s (co oznacza, że odległość Ziemia – Księżyc przebywają w ciągu trochę ponad 1s). Pola te, w przypadku elektromagnetycznych fal widzialnych, zmieniają swój zwrot na przeciwny mniej więcej biliard (miliard milionów) razy na sekundę. 
Jak gdzieś taka fala elektromagnetyczna napotka na swojej drodze ładunek elektryczny, to może nim trochę „potrząsnąć”, a w sprzyjających wypadkach takie potrząśnięcie wywoła kolejne efekty – np. przyspieszenie ładunku, reakcję fotochemiczną, wyrzucenie elektronu z ciała, w którym się znajdował i inne.

Widmo fal elektromagnetycznych, a światło

Światło - rozumiane jako ta część fal elektromagnetycznych, która jest odbierane przez oko człowieka - to tylko drobna część wszystkich możliwych fal elektromagnetycznych.
 Zakres "pokrycia" różnymi rodzajami fal elektromagnetycznych promieniowania zawartego w danej wiązce, określa się jako "widmo promieniowania elektromagnetycznego".

Fale radiowe mikrofalowe podczerwień widzialne ultrafiolet promienie rentgena gama

Klasyczne prawo dodawania prędkości

W naszym normalnym świecie obowiązuje tzw. klasyczne prawo dodawania prędkości. Np. jeżeli Staś jedzie na rowerze z prędkością 8 m/s, a goni go Jaś z prędkością 12 m/s, to prędkość Jasia względem Stasia wynosi 4 m/s.

W przypadku gdyby Jaś jechał naprzeciw Stasia, to ich względna prędkość byłaby sumą prędkości względem podłoża i wynosiłaby 20 m/s. Z tą prędkością Jaś zbliża się do Stasia, a Staś do Jasia.

Podobna sytuacja miałaby miejsce, gdyby Jaś próbował dogonić muchę poruszającą się z prędkością 15 m/s:

W przypadku gdy mucha zbliża się do Jasia prędkość względna wyniesie 18 m/s:

A co klasyczne prawo dodawania prędkości ma wspólnego ze światłem?

- Otóż okazuje się, że światło nie podlega, opisanemu wyżej, klasycznemu prawu dodawania prędkości. Tak jest i już – stwierdzono to doświadczalnie (patrz dalej Doświadczenie Michelsona - Morleya).

Wyznaczanie prędkości światła

Od wieków panowało przekonanie, że prędkość światła jest nieskończona. Skoro zapalając lampę czy latarkę od razu robi się jasno, czy gdy otwieramy okno wpuszczając do pomieszczenia "trochę słońca" bez żadnych opóźnień robi się widno, to dlaczego światło miałoby posiadać jakąś prędkość? Później zaczęto zdawać sobie sprawę, że prędkość taka musi istnieć, oraz że musi być bardzo duża. Próbowano zmierzyć dokładnie czas, w którym światło przebywa duże odległości (rzędu kilku kilometrów). Jednakże wszystkie te usiłowania nie dały rezultatów. Dopiero dużo później udało się potwierdzić to przekonanie doświadczalnie. Uznaje się, że pierwszym uczonym, który stwierdził, że prędkość światła jest skończona był Römer w 1676 roku. Jego doświadczenie polegało na obserwacji ruchu księżyca Jowisza. Po nim do pomiaru wartości prędkości światła stosowano także wiele innych metod.


1. Doświadczenie Römera.

Po raz pierwszy prędkość światła wyznaczona została w roku 1676 przez duńskiego uczonego Olafa Römera. Römer był astronomem. Pomyślny wynik jego prac tłumaczymy właśnie tym, że odległości między ciałami, dla których mierzył on prędkość światła, były bardzo duże. Były to bowiem odległości między planetami Układu Słonecznego. Römer obserwował zaćmienia księżyców Jowisza - największej planety Układu Słonecznego. Jowisz, w odróżnieniu od Ziemi, ma dwanaście księżyców. Obiektem obserwacji Römera był księżyc Io. Astronom widział, jak księżyc przesuwał się na tle planety, pogrążał w jej cień i znikał z pola widzenia. Potem pojawiał się ponownie jak nagle zapalona lampa. Czas, który upływał między dwoma kolejnymi pojawieniami się Io zza tarczy Jowisza był równy 48 godzin i 28 minut. W ten sposób księżyc spełniał rolę ogromnego zegara niebieskiego, który w równych odcinkach czasu przesyłał sygnały na Ziemię. Pierwszych pomiarów czasu obiegu księżyca dokonał Römer w chwili, kiedy Ziemia, krążąc wokół Słońca znajdowała się najbliżej Jowisza. Podobne pomiary dokonane 6 miesięcy później, kiedy Ziemia zwiększyła odległość od Jowisza o odcinek równy średnicy swej orbity, wykazały nieoczekiwanie, że Io wynurzał się z cienia Jowisza o 15 minut później niż należałoby oczekiwać, znając czas jego obiegu. Römer wytłumaczył to w następujący sposób: "Jeśli mógłbym pozostać po przeciwnej stronie orbity ziemskiej, to Io zawsze wynurzałby się z cienia w przedziwnym czasie; obserwator znajdujący się tam zobaczyłby Io 15 minut wcześniej. W naszym przypadku opóźnienie spowodowane jest tym, że światło potrzebuje 15 minut na przebycie drogi dzielącej miejsca mojej pierwszej i drugiej obserwacji". Znając opóźnienie pojawiania się księżyca oraz odległość, która to powoduje, można wyznaczyć prędkość światła dzieląc tę odległość (średnica orbity Ziemi) przez czas opóźnienia. Jak okazało się, prędkość światła jest niezwykle duża i wynosi około 300 000 km/s (przyjmując niedokładną wówczas wartość średnicy orbity Ziemi Römer wyznaczył wartość prędkości światła na c = 214 300 km/s). Dlatego też niesłychanie trudno jest zmierzyć czas, w którym światło rozchodzi się między dwoma punktami na Ziemi. Zauważamy, że w ciągu jednej sekundy światło przebywa drogę 8-krotnie większą niż długość równika.


2. Koła zębate Fizeau.

opis doświadczenia
W 1849 roku Fizeau jako pierwszy zmierzył prędkość światła metodami nieastonomicznymi, otrzymując wielkość 3,13*108m/s. Na rysunku pokazany jest schemat aparatury używanej przez Fizeau.
Nie zwracajmy na razie uwagi na koło zębate. Światło ze źródła S skupione jest przez soczewkę L1, odbija się do zierciadła Z1 które jest zwierciadłem półprzezroczystym; jego warstwa odbijająca jest tak cieńka, że jedynie połowa światła oadającego odbija się, a pozostała część przechodzi przez zwierciadło. Światło z obrazu w punkcie F pada na soczewkę L2 i wychodzi jako wiązka równoległa. Po przejściu przez soczewkę L3 odbija się od zwierciadła Z2. W doświadczeniu Fizeau odległośćl miedzy Z2 i F wynosiła 8630m. Światło padające ponownie na zwierciadło Z1częściowo przejdzie przez nie i wpadnie do oka obserwatora poprzez soczewskę L4 Obserwator zobaczy obraz źródła utworzony przez światło, które przebiegło odległość 2l między kołem a zwierciadłem Z2 i wróciło. Aby określić czas przelotu wiązki świetlnej, trzeba klzaznaczyć na niej jakieś punkty. Osiąga się to przez "pocięcie" (przerywanie) wiązki szybko obracającym się kołem zębatym. Załóżmy, że w czasie przelotu wiązki światła tam i z powrotem, równym 2l/c, koło obróciło siętak, by światło z danego "impulsu" wiązki wróciło do koła w momencie, gdy punkt F został zasłonięty przez ząb koła. Światło padnie wówczas na powierzchnię koła i nie trafi do oka obserwatora. Jeżeli prędkość obrotu koła jest odpowiednio dobrana, to obserwator nie zobaczy żadnego "impulsu" z wiązki, gdyż każdy zostanie zasłonięty przez któryś ząb. Obserwator może zmierzyć prędkość c przez zwiększanie prędkości kątowej koła od zera do wartości, przy której zniknie obraz źródła ś. Niech będzie odległością kątową między środkiem przerwy a środkiem zęba. Czas potrzebny na to, by koło obróciło się o kąt, ma być równy czasowi przelotu 2l/c. W ten sposób otrzymujemy: , czyli Technika "przerywania wiązki", odpowiednio zmodyfikowana jest obecnie stosowana do pomiarów prędkości neutronów i innych cząstek.
Układy do wyznaczania prędkości światła metodą Fizeau

Po raz pierwszy metodą laboratoryjną prędkość światła wyznaczona została w 1849 roku przez francuskiego fizyka A. Fizeau. W metodzie Fizeau promienie świetlne przechodzą przez szczeliny między zębami obracającego się koła zębatego. Następnie padają na zwierciadło umieszczone w odległości kilku kilometrów od koła. Po odbiciu się od zwierciadła światło powinno ponownie trafić na szczelinę między zębami koła. Jeśli koło obraca się powoli, promienie odbite od zwierciadła można zobaczyć. Przy zwiększaniu prędkości obrotowej światło powoli zanika. W jaki sposób można to wytłumaczyć? W tym samym czasie, w którym promień po przejściu przez szczelinę biegnie do zwierciadła i z powrotem, koło zdąży już obrócić się tak, że na miejscu szczeliny znajduje się teraz ząb i dlatego światła nie widzimy. Przy dalszym zwiększaniu prędkości obrotowej światło zaczynamy widzieć ponownie. Teraz, w tym samym czasie, w którym promienie biegną do zwierciadła i z powrotem, koło obraca się tak szybko, że na miejscu poprzedniej szczeliny pojawia się następna. Znając ten czas oraz odległość między kołem, a zwierciadłem, można wyznaczyć prędkość światła. W doświadczeniu Fizeau odległość wynosiła 8,6 kilometrów. Wyznaczona w tych warunkach wartość prędkości światła była równa c = 315 300 km/s.


3. Wirujące zwierciadła Foucaulta.

Przyrząd Foucaulta z wirującym zwierciadłem pochodzi z 1850 roku. Składa się on ze źródła S, półprzeźroczystego posrebrzanego zwierciadła M1, wirującego zwierciadła R oraz zwierciadła sferycznego M2. Wiązka biegnie ze źródła S do M2. Gdy zwierciadło R jest w spoczynku to wiązka światła biegnąca ze źródła S przez M1 i R do M2 wraca po odbiciu tą samą drogą do M1 i jest widziana w punkcie obserwacyjnym O. Jeśli zwierciadło R wiruje, to światło biegnące ze źródła S przez R do M2, po odbiciu od M2 powraca do wirującego zwierciadła, gdy jest ono już w nowym położeniu R'. Obserwator O widzi na płytce M1 obraz przesunięty. Foucault wyznaczył prędkość światła znając długość L, przesunięcie obrazu i prędkość kątową wirującego zwierciadła. Najlepsza wartość prędkości światła w powietrzu, uzyskaną przez Foucaulta w 1862 roku wynosiła: c = 289 000±500 km/s.


4. Metoda rezonatora wnękowego Essena.

Można bardzo dokładnie wyznaczyć częstość, przy której rezonator wnękowy o znanych wymiarach zawiera znaną liczbę połówek długości fali promieniowania elektrostatycznego. Prędkość światła możemy obliczyć z teoretycznej zależności pomiędzy długością fali i częstością.

V λc =

Zwykle z pudła rezonatora wypompowuje się powietrze. Fale elektromagnetyczne wnikają na pewną nie-wielką głębokość w ścianki pudełka, dlatego też konieczna jest poprawka uwzględniająca ten efekt. Essen w roku 1950 stosował częstości 5960, 9000 oraz 9500 MHz i znalazł: c = 299 792,5 km/s. ± 1 km/s.


5. Detektor światła modulowanego.

Jest to jedna z najbardziej współczesnych nam metody wyznaczania prędkości światła i jednocześnie jedna z najbardziej dokładnych. Światło pochodzące ze źródła S zostaje odbite przez zwierciadło M na detektor fotoelektryczny D. Natężenie światła wysyłanego ze źródła jest modulowane przez oscylator o częstości radiowej. Oscylator ten moduluje z tą samą częstością czułość fotokomórki. Sygnał dawany przez detektor będzie największy, jeżeli światło o maksymalnym natężeniu dojdzie do fotokomórki w momencie, gdy czułość jej będzie największa. Warunek ten będzie spełniony gdy czas przebiegu światła z punktu S do D będzie równy całkowitej wielokrotności okresów N modulującej częstości v . Czas ten rów-na się N/v , z czego wynika

Gdzie L jest odległością źródła S i detektora D od zwierciadła. Zastosowana w tej metodzie droga wiązki światła była rzędu 10 kilometrów. Bergstrand zmierzył tą metodą wartość c otrzymując c = 299 793±0,3 km/s.

Istnieje wiele innych metod na wyznaczanie prędkości światła. Jej pomiary przeprowadzono w wielu różnych przeźroczystych ośrodkach. Prędkość światła w wodzie została zmierzona w roku 1856. Jak się okazało, jest ona 4/3 razy mniejsza od prędkości w próżni. Według współczesnych danych prędkość światła w próżni jest równa c = 299 792,5 km/s. Przy czym wartość ta została zmierzona z dokładnością 0,4 km/s. Wyznaczenie prędkości światła odegrało w nauce bardzo ważną rolę, przyczyniając się w znacznym stopniu do wyjaśnienia natury światła. Według aktualnego stanu wiedzy nie istnieje większa prędkość od prędkości światła. Prędkość światła jest więc maksymalną prędkością.

Doświadczenie Michelsona – Morleya

Albert Michelson, po zapoznaniu się z pomysłami Maxwella, obmyślił sposób przeprowadzenia doświadczenia. Uznał, że do określenia prędkości wiatru eteru nie potrzeba wyznaczać prędkości światła, wystarczy porównać prędkość światła w różnych kierunkach. Skonstruował przyrząd zwany interferometrem Michelsona.

W interferometrze wiązka światła zostaje podzielona półprzezroczystą płytką na dwie prostopadłe wiązki, które po odbiciu od zwierciadeł i po powtórnym przejściu przez płytkę trafiają do teleskopu, w którym widać jasne i ciemne prążki jako wynik interferencji obu wiązek. Obraz interferencji zależy od różnicy czasu przebiegu obu wiązek miedzy płytką a zwierciadłami, bo w pozostałej części drogi światła obie wiązki biegną tą samą drogą. Gdyby czas przebycia światła między płytką a zwierciadłem 1 zmienił się o inną wartość niż czas dla drugiej drogi, to układ prążków interferencyjnych przesunąłby się. W ten sposób można wyznaczyć nawet niewielkie różnice w prędkości rozchodzenia się światła.

Gdyby istniał wiatr eteru, wystarczyłoby obrócić interferometr, a układ prążków powinien przesuwać się. Michelson, jako dokładny obserwator, oszacował że dokładność pomiaru urządzenia jest 4 razy większa od przesunięcia prążków, jakie powinien uzyskać dla prędkości ruchu Ziemi wokół Słońca.

Ku swojemu zaskoczeniu nie wykrył ruchu prążków. Wynik doświadczenia był zdumiewający dla ówczesnych fizyków, powszechnie wątpiono w prawdziwość i dokładność pomiaru.

W słynnym doświadczeniu wykonanym przez fizyków amerykańskich – przez Michelsona i Morleya - próbowano sprawdzić prędkość rozchodzenia się światła w układzie związanym z Ziemią.

 

Jak to wynika z klasycznego prawa dodawania prędkości, ponieważ nasza planeta okrąża Słońce z prędkością 30 m/s, to powinien dać się zauważyć efekt zmiany prędkości światła względem Ziemi w sytuacjach gdy:

	światło porusza się zgodnie z ruchem Ziemi
	światło porusza się przeciwnie do ruchu Ziemi

Światło, "puszczone" ze źródła w eter (bo przyjmowano, że światło rozchodzi się w hipotetycznym ośrodku zwanym "eterem") powinno poruszać się wolniej, gdy Ziemia zawierająca odbiornik porusza się zgodnie z ruchem eteru (prędkości się odejmują), a szybciej, gdy porusza się przeciwnie (prędkości się dodają). Można powiedzieć, że analogiem muchy z przykładu z Jasiem (z poprzedniego rozdziału) jest teraz światło, rowerzystą - Zi

Opis: Michelsona interferometr: A) źródło światła, B) zwierciadło, C) półprzepuszczalne zwierciadło pokryte warstwą srebra, D) zwierciadło, E) wykrywacz (teleskop). Michelsona-Morleya doświadczenie, słynne doświadczenie mające wyznaczyć prędkość światła względem Ziemi, hipotetycznego eteru, przeprowadzone po raz pierwszy w 1881 przez A.A. Michelsona, który w 1887 powtórzył je wraz z E.W. Morleyem. Dało ono wynik negatywny (tj. wykazało niezależność prędkości światła od prędkości Ziemi w przestrzeni), co stało się doświadczalnym potwierdzeniem stałości prędkości światła w każdym układzie odniesienia.

emia. 

Powstawał jednak pewien problem do rozstrzygnięcia –  w którą stronę porusza się eter?
- czy „wieje” w którąś stronę, czy jest nieruchomy względem Słońca (a może względem Galaktyki)? 

Pierwotnie pomyślane doświadczenie zaprojektowane przez Michelsona (odbyło się w roku 1881) miało właśnie wykryć ów ruch eteru - jako różnicę w odbieranej prędkości światła (powinna się ona zmieniać dla dla różnych kierunków ruchu Ziemi i różnych kierunków ustawień układu doświadczalnego). W sześć lat później doświadczenie zostało powtórzone przez Michelsona wspólnie z Morleyem. 
W każdym przypadku jego wynik był jednak absolutnie zaskakujący – bez względu na kierunek ruchu Ziemi, porę dnia i roku, kierunek ustawienia ramion interferometru - odczyty wykazywały na to samo – że prędkość światła względem Ziemi ma zawsze niezmienioną wartość.

Prowadziło to do absurdalnego (z punktu widzenia mechaniki klasycznej) wniosku, że

Wykrywana prędkość światła względem Ziemi jest niezależna od tego, czy jest skierowana zgodnie, czy przeciwnie względem prędkości naszej planety.

Ale ponieważ doświadczanie było wielokrotnie powtarzane w różnych warunkach i
- czy to poruszając się naprzeciw światłu,
- czy zgodnie z kierunkiem jego prędkości
więc nie pozostawało nic innego jak z pokorą przyjąć jego wynik. 
Czyli stwierdzić fakt, że prędkość światła dla każdego układu odniesienia ma dokładnie tę samą wartość: 
c = 299792458 m/s – w przybliżeniu 300 tys. km/s. 
Mówiąc obrazowo, żebyśmy nie wiem jak szybko „gonili” światło, to ono i tak będzie oddalało się od nas z tą samą prędkością i żebyśmy nie wiem jak chcieli go przyspieszyć poprzez zbliżanie się do niego, to ono i tak będzie względem nas poruszało się z prędkością c. 
Dzięki temu doświadczeniu okazało się dodatkowo, że koncepcja eteru jest pozbawiona podstaw fizycznych – eteru nie ma, a światło nie rozchodzi się "w czymś", tylko po prostu "względem układu odniesienia".

Prędkości światła nie da się przekroczyć

Z doświadczenia Michelsona Morleya wypływa także kolejny ważny wniosek (jeden z postulatów teorii względności Einsteina):

Prędkość światła jest największą możliwą prędkością względną między dwoma obiektami.

Lub inaczej:
Nie ma na świecie obiektu, który by się mógł oddalać od obserwatora szybciej niż światło. 

No dobrze... – ktoś powie – ale wyobraźmy sobie taką sytuację: Jedna rakieta porusza się z prędkością ¾ c w prawo, a druga z prędkością ¾ c w lewo. To przecież jedna od drugiej oddala się z prędkością 1,5 c...

Otóż nie. Prędkość względna jednej rakiety wobec drugiej jest mniejsza niż c, bo ruch obiektu materialnego nie może odbywać się z prędkością większą niż prędkość światła.

 

A więc np.
Jeśli skądś wysłano promień światła, a następnie w ślad za tym promieniem wyśle się obserwatora poruszającego się z prędkością równą połowie prędkości światła, to i tak względem obserwatora prędkość promienia będzie ciągle równa c.

 

Jak to jest możliwe?
- Obserwator w układzie poruszającym się inaczej mierzy czas i inaczej mierzy odległość między tymi samymi zdarzeniami (np. pomiędzy momentem osiągnięcia przez światło początku i końca określonego odcinka). I jak podzieli on swoją drogę dla światła przez swój czas dla światła, to z tych liczb wyjdzie dla światła zawsze prędkość równa c, bez względu na to z jaką prędkością porusza się obserwator.