Svetlost

Svjetlost je elektromagnetsko zračenje vidljivo ljudskom oku. U proseku, zračenje u rasponu od 380 do 780 nm je vidljivo ljudskom oku u vidu spektra boja, od ljubičaste s najmanjom do crvene s najvećom valnom dužinom. Svjetlost u širem smislu uključuje i ultraljubičasto zračenje (sa kraćim talasnim dužinama) i infracrveno (sa dužim talasnim dužinama).

U fizici se termin svetlost ponekad odnosi na elektromagnetnu radijaciju bilo koje talasne dužine, nezavisno od toga da li je vidljiva. U tom smislu, gama zraci, X-zraci, mikrotalasi i radio talasi su takođe svetlost. Poput svih tipova svetlosti, vidljiva svetlost se emituje i apsorbuje u veoma malim „paketima“ zvanim fotoni, i manifestuje svojstva talasa i čestica.

Područje fizike koje proučava svojstva svjetlosti naziva se optika. Znanost koja proučava interakciju elektromagnetskog zračenja i materije naziva se spektroskopija. Optika atmosfere proučava pojave nastale prelamanjem, odrazom i difrakcijom svetla u prirodi, kao što su duga ili polarna svetlost.

Izvori svetla 

Pod svetlosnim izvorom podrazumeva se svako telo koje može emitovati elektromagnetne talase u vidljivom delu spektra. Treba napomenuti da većina njih emituje i talase koji zalaze u susedne oblasti spektra (tj. ultraljubičastu i/ili infracrvenu). Razlikujemo prirodne (npr. zvijezde) i umjetne (npr. sijalice ili svijeće) svjetlosne izvore. Po načinu nastanka svjetla, mogu se podijeliti na primarne (termičke) i sekundarne (reakcione) izvore svjetla.

Glavni izvor svetlosti na Zemlji je Sunce. Sunčeva svetlost pruža energiju koju zelene biljke koriste da formiraju ugljene hidrate uglavnom u obliku skroba, koji otpušta energiju u živa bića koja ga konzumiraju. Proces fotosinteze pruža doslovno svu energiju koju koriste živa bića. Istorijski, još jedan važan izvor svetlosti za ljude je bila vatra, od drevnih ognjišta do kerozinskih lampi. Sa razvojem električne struje, električna rasveta je skoro potpuno zamenilo svetlost vatre.

Najčešći izvori svetla su termički; telo na određenoj temperaturi emituje karakteristični Spektar zračenja. Jednostavni termalni izvor je sunčeva svetlost, odnosno elektromagnetno zračenje koje emituje hromosfera Sunca na oko 6.000 Kelvina, većim delom u vidljivom spektru (oko 44% energije sunčeve svetlosti koja doseže do površine Zemlje je vidljivo). Još jedan primer su sijalice, koje emituju samo oko 10% svoje energije u obliku vidljive svetlosti, dok je ostalo infracrveno. Istorijski često korišćen termalni izvor svetla bio je plamen, mada takođe emituje najveći deo zračenja u infracrvenom opsegu, a samo mali deo u vidljivom spektru.

Pojedine hemikalije proizvode svetlost putem hemoluminiscencije, što kod živih bića naziva se bioluminiscencija. Na primer, svici tako proizvode svetlost. Neke tvari proizvode svetlost kad ozrače se, što zove se fluorescencija. Neke tvari emituju svetlost nakon što ozrače se, što je poznato kao fosforescencija. Fosforescentni materijali mogu se pobuditi i bombardovanjem subatomskim česticama. Taj mehanizam se koristi u katodnim cevima televizora i monitora.

Svojstva svetlosti 

Svetlost istovremeno ispoljava osobine talasa i čestica. Svetlosna čestica je foton. Svjetlost se od izvora na sve strane rasprostire pravolinijski. Pravci rasprostiranja svjetlosti nazivaju se svjetlosne zrake.

Osnovne su pojave vezane uz širenje svjetlosti: odraz, prelamanje, difrakcija (ogib), interferencija i polarizacija svjetlosti. Refleksija i refrakcija nastaju kada zrake svjetlosti stignu na granicu dvaju optičkih sredstava različite gustoće. Tada se dio svjetlosti reflektira, a dio lomi po zakonima refleksije i loma. Ogib je odstupanje od ravnocrtnoga širenja svjetlosti kada ona naiđe na zapreku, dok se interferencijom, koja nastaje kombinacijom svjetlosnih valova iz dvaju izvora, stvaraju tamnije i svjetlije plohe. Polarizacija svjetlosti je uređenje titranja električnoga i magnetskoga polja koje nastaje međudjelovanjem svjetlosti i tvari: refleksijom, dvolomom ili rasipanjem.

Fotometrijska svojstva 

Fotometrija je grana optike koja se bavi mjerenjem svojstava svjetlosti, u smislu njenog doživljenog sjaja u ljudskom oku. Sedam osnovnih fotometrijskih veličina opisuje svojstva svjetlosti:

Brzina svetlosti 

Brzina svetlosti, koja u vakuumu iznosi 299.792.458 metra u sekundi, jedna je od fundamentalnih konstanti prirode. Za svetlost, kao i sve tipove elektromagnetne radijacije, je eksperimentalno utvrđeno da se uvek kreću tom brzinom u praznom prostoru.

Svjetlost se širi konačnom brzinom c, koja u vakuumu iznosi:

Obzirom da je svetlost vid elektromagnetnog zračenja, njena brzina zavisi od električnih i magnetnih svojstava sredine kroz koju se kreće. U prozirnim materijalima brzina svjetlosti je manja i mijenja u omjeru:

gdje je: n - indeks loma za određeni materijal. Indeks loma ovisi o frekvenciji svjetlosti i uvijek je veći od jedinice. Prema relativističkoj fizici, brzina svjetlosti u vakuumu univerzalna je konstanta, jednaka u svim sustavima, bez obzira na njihovu relativnu brzinu. Ona je ujedno najveća moguća brzina širenja signala.

Prvu poznatu naučnu metodu za merenje brzine svetla izveo je danski astronom Ole Kristensen Remer 1675. godine.

Svetlosni pritisak 

Svetlost vrši fizički pritisak na objekte na svom putu. Ovaj fenomen se može izvesti iz Maksvelovih jednačina, mada se može jednostavnije objasniti čestičnom prirodom svetlosti: fotoni se sudaraju sa materijom i prenose svoj momenat. Tlak svetlosti je jednak snazi svetlosnog zraka podeljenoj sa c, brzinom svetlosti. Usled velike magnitude brzine c, efekat pritiska svetlosti je zanemarljiv u kontekstu svakodnevnih objekata. Na primer, laserski pointer snage jednog milivata vrši silu od oko 3,3 piko njutna na osvetljeni objekat; stoga je u principu moguće podignuti novčič od jedne US cente pomoću laserskih pointera, ali je za to neophodno upotrebiti oko 30 milijardi pointera snage 1 mW. Za razliku od toga, u aplikacijama na nanometarskoj skali, kao što su nanoelektromehanički sistemi (NEMS), efekat pritiska svetla može da bude značajan, i stoga se istražuje moguća eksploatacija pritiska svetlosti kao pogonske sile NEMS mehanizama i fizičkih prekidača nanometarske veličine u integrisanim kolima.

Na većim razmerama, pritisak svetlosti može da uzrokuje ubrzavanje obrtanja asteroida, putem delovanja na njihove iregularne oblike poput lopatica na vetrenjači. Mogućnost pravljenja solarnih jedara koja bi pokretala svemirske brodove se takođe istražuje.

Spektar boja 

Ljudsko oko reaguje samo na vrlo ograničeni raspon talasanih dužina, na vidljivi spektar. Međutim, ono odlično raspoznaje i vrlo male razlike unutar tog raspona. Te male razlike nazivamo boje. Vidljiv spektar se sastoji od šest čistih boja: 
 ljubičasta (najveća frekvencija, najkraća talasna dužina)
 plava 
 zelena 
 žuta 
 narandžasta
 crvena (najniža frekvencija, najduža talasna dužina)

Spektar ne sadrži sve boje koje ljudi mogu razlikovati. Na primer, boje poput ružičaste ili magente nedostaju, jer se mogu načiniti samo iz mešavine više valnih dužina. Boje koje sadrže samo jednu valnu dužinu se nazivaju čistim ili spektralnim. Bijela svjetlost sastavljena je od svih boja vidljivog spektra.

U praksi, boja nekog tijela je frekvencija elektromagnetnog zračenja koju tijelo reflektuje. Bijelim izgleda tijelo koje jednako reflektuje čitav vidljivi spektar. Crnim izgleda tijelo koje potpuno apsorbuje čitav spektar. Crna boja nije boja već odsustvo boje. Ljudski mozak ne prima nikakav signal prilikom gledanja u crnu boju. Vegetacija apsorbira crvenu i plavu svjetlost, a reflektuje zelenu, pa nam zato biljke izgledaju zeleno. Isto tako, ruža upija sve boje osim crvene, a samo crvenu reflektuje. Sve boje koje vidimo na Zemlji su samo talasne dužine sunčeve svjetlosti koje se reflektuju.

Kraće se valne dužine učinkovitije šire po zraku nego duže. Nebo je plavo zato jer se kratke talasne dužine (plava) najbolje šire.

Prema aditivnom principu, sve boje su kombanacije RGB ( - crveno, zeleno, plavo), znači da je moguće svaku boju napraviti njihovom kombinacijom.

Doplerov efekat 

Doplerov efekat je promena učestalosti vala u odnosu na posmatrača, koji se kreće relativno na njegov izvor. Ako rastojanje između prijemnika i predajnika se smanjuje, frekvencija raste, a ako rastojanje između prijemnika i predajnika raste, frekvencija opada. Na primer, Doplerov efekat možemo primetiti u prometu: sirena vozila dok nam se približava drugačija je od one koju čujemo dok se od nas odaljava.

Izuzetno je značajna primena Doplerovog efekta u astronomiji, astrofizici, medicini. U astronomiji se primjenom Dopplerova učinka mjeri brzina radijalnoga gibanja nebeskih tijela (na primjer male promjene brzine zvijezda pod utjecajem planeta, brzine gibanja galaktika) ili njihovih dijelova (brzina rotacije, brzina pulsiranja). U prometu se s pomoću Dopplerova učinka i radara može odrediti brzina kretanja vozila; u medicini, brzina protoka krvi (ehosonografija).

Teorije o naravi svetlosti 
Teorije o naravi svjetlosti razvijale su se i mijenjale kako su se otkrivala njezina svojstva. Proučavanje prirodnih fenomena, kao što su duga i polarna svjetlost, nude mnoštvo nagoveštaja o naravi svetlosti.

Čestična teorija 

Korpuskularna ili čestična teorija svetla se zasniva na pretpostavci da se svjetlost sastoji od roja sitnih čestica koje se gibaju nekom brzinom. U većini teorija razrađenih do XVIII veka, svetlost je posmatrana kao mnoštvo čestica. Jedna od prvih teorija te vrste bila je izložena u „Knjizi o optici“ Ibna al Hajtama 1021. godine. U njoj je taj naučnik posmatrao svetlosni zrak u vidu niza malenih čestica koje ne poseduju nikakva kvalitativna čestična svojstva osim energije.

Zastupao ju je i Isaac Newton 1672. kako bi objasnio ravnocrtno gibanje svjetlosti te pojave loma svjetlosti (refrakcija) i odbijanja svjetlosti (refleksija).

Valna teorija 

Newtonov autoritet zasjenio je gotovo istodobnu teoriju C. Huygensa koja je svjetlosne pojave opisala s pomoću valnoga gibanja hipotetičnoga savršeno elastičnoga sredstva. Ole Rømer je bio danski astronom koji je 1676. prvi izmjerio brzinu svjetlosti. Početkom 19. stoljeća otkrivene su interferencija i ogib (difrakcija) svjetlosti (T. Young; A. J. Fresnel), a valna je teorija svjetlosti u nešto izmijenjenom obliku opet vraćena jer su se te pojave mogle objasniti samo pretpostavkom o valnoj naravi svjetlosti. Mjerenjem brzine širenja svjetlosti u različitim prozirnim sredstvima (1849.) ustanovljeno da se brzina svetlosti mijenja suprotno Newtonovim predviđanjima. Jedino je ostalo otvoreno pitanje hipotetičnoga sredstva, etera, kojim se valovi svjetlosti šire. Eter je morao biti bez mase, a ipak imati savršena elastična svojstva.

Elektromagnetni val 

Otkriće polarizacije svjetlosti uputilo je na vezu između svjetlosti i elektromagnetskih pojava. Elektromagnetska teorija svjetlosti J. C. Maxwella (1873.) objasnila je sve do tada poznate pojave. Po toj teoriji, svjetlost je elektromagnetski val vrlo visoke frekvencije, koji titra okomito na smjer vlastitoga širenja. Pokusi H. R. Hertza (1886.) pokazali su ispravnost Maxwellove teorije. Elektromagnetno zračenje možemo predstaviti kao roj čestica koje se nazivaju fotoni. Svaki foton nosi određenu količinu energije. Spektar elektromagnetnog zračenja uključuje: radiovalove, mikrovalove, infracrveno zračenje, vidljivo zračenje (svjetlost), ultraljubičasto zračenje, rendgensko zračenje (X-zrake) i gama zračenje (γ-zrake).

Elektromagnetna zračenja se razlikuju jedino frekvencijom. Svjetlost manje energije ima manju frekvenciju i veću valnu dužinu, a ona s više energije veću frekvenciju i manju valnu dužinu. Valna dužina svetlosti je povezana sa frekvencijom preko konstante brzine:

Pri čemu su:
  - brzina svetlosti
  - valna dužina
  - frekvencija

1887. godine Michelson–Morleyjev eksperiment je obesnažio stoljetnu teoriju o postojanju etera i pridonio spoznaji kako je brzina svjetlosti univerzalna konstanta.

Valno-čestični dualizam 

W. Hallwachs (1888.) otkrio je da svjetlost, kada pada na metal, izbacuje elektrone iz njihovih stacionarnih stanja na površini metala. P. Lenard ustanovio je da se zakoni fotoelektričnog učinka ne mogu uskladiti s načelima valne teorije. Suprotno valnoj teoriji, energija izbačenih elektrona bila je neovisna o svjetlosnoj jakosti, a razmjerna frekvenciji svjetlosti. A. Einstein (1905.) ponovno je postavio teoriju svjetlosti na korpuskularne temelje. Prema Einsteinu, svjetlost je roj čestica, fotona, kojih je energija dana Planckovim izrazom:

gdje je: h - Planckova konstanta, a ν - frekvencija. Fotoni su čestice svjetlosti kojima je masa mirovanja nula, a šire se brzinom svjetlosti.

Kvantna teorija objašnjava dualističku valno-čestičnu narav svjetlosti, koja se nedvojbeno pokazuje u pojavama interferencije i fotoelektričnog učinka. Po toj teoriji, svjetlost nastaje kvantnim prijelazima elektrona iz jednog energetskoga stanja u atomu (ili u kristalnoj rešetki) u drugo. Elektroni su u atomima raspoređeni po stanjima određene energije (kvantna stanja) i dok se nalaze u tim stanjima, ne emitiraju energiju. Pri prijelazu elektrona u kvantno stanje niže energije, razlika u energiji emitira se kao kvant elektromagnetskoga zračenja.

Vrsta emitiranoga zračenja ovisi o razlici energije početnog i konačnoga stanja. Ako je razlika tolika da se frekvencija zračenja nalazi između 4∙1014 i 8∙1014 Hz, emitirana energija ima oblik vidljive svjetlosti. Na isti način objašnjava se i apsorpcija svjetlosti: kvant svjetlosti, predajući svoju energiju elektronu, prebacuje ga iz stanja niže u stanje više energije. Kako su samo neka energetska stanja u atomu moguća, jasno je da će svako tijelo apsorbirati upravo one frekvencije koje i samo emitira. Tako emitirani kvant energije širi se prostorom u obliku elektromagnetskoga vala. U kvantnoj teoriji svjetlosti procesi emisije i apsorpcije svjetlosti tumače se korpuskularno, dok se širenje svjetlosti i pojave povezane s time tumače valnom teorijom svjetlosti. Valno-čestični dualizam proširen je i na tvar i temelj je shvaćanja prirode.

Svetlost u filozofiji 

U srednjevekovnoj filozofiji, svetlost je često poistovećivana sa bogom. Za Avgustina, bog je "inteligibilna svetlost", koja osvetljava ljudsku dušu. Kao što sunčeva svetlost čini predmete vidljivim za oko, tako božanska svetlost čini večne istine vidljivim za duh. Po njemu, prirodna svetlost razuma znači učestvovati u toj božanskoj svetlosti. Prema pseudo-Dionisiju, bog "jeste preobilan izvor i konačna svrha stvaranja", iz kojeg "dolazi svetlost koja je lik dobra". Stoga se dobro opisuje imenom svetlost, budući praoblik onog što se otkriva u liku.

U filozofiji Roberta Grossetestea središnja je ideja svetlosti. Po njemu je svetlost prva telesna forma. Ona se spaja sa materijom (aristotelskom prvom materijom) i konstituiše jednostavnu supstanciju bez dimenzija. Po njemu, svetlost jeste prva telesna forma, usled svoje prirode da se rasprostore, budući da bi za prvu telesnu formu ne bi bilo moguće da preko druge forme dovede do prostiranja. Štaviše, svetlost je najuzvišenija od svih formi i najviše slična umu. Svetlost se rasprostire u svim pravcima, "sferično", formirajući najudaljeniju sveru, nebeski svod na najudaljenijoj tački svog prostiranja, i ta sfera se prosto sastoji iz svetlosti i prve materije. To rasprostiranje se dešava samoumnožavanjem i rađanjem svetlosti.

Po Bonaventuri, u telesnim tvorevinama postoji jedna supstancijalna forma koju imaju sva tela, a to je svetlost. Svetlost je, po njegovim mišljenju, telesna. Mada je božanska svetlost tako duboko u nama, ona je nevidljiva: mi možemo zaključiti o njenom prisustvu samo na osnovu posmatranja njenih učiniaka.

Roger Bacon u IV tomu svog kapitalnog dela Opus Majus posvećuje značajnu pažnju prirodnim naukama, te piše o fizičkim svojstvima svetlosti i njenom širenju, odbijanju i prelamanju. U petom tomu piše o optici, strukturi oka, te osnovnim zakonima viđenja.

Izvori

Vidi još 
 Foton
 Brzina svetlosti
 Sunčeva svetlost
 Vidljivi spektar

Vanjske veze 

 Svetlost 
 O svetlosti i njenoj dvojnoj prirodi

Optika
Elektromagnetna radijacija
Svetlost