Светлина

Светлината е електромагнитно излъчване с дължина на вълната във видимия за човешкото око диапазон на електромагнитния спектър, приблизително от 400 до 750 nm. Понякога към понятието светлина се включват и инфрачервените и ултравиолетовите лъчи.

Основни характеристики на светлината от гледна точка на възприемане от човешкото око са: яркост (свързана с интензитета), цвят (свързан с дължината на вълната или честотата) и поляризация (при нормални обстоятелства човешкото око не може да я регистрира).

Според съвременната физика светлината има корпускулярно-вълнов характер, тоест едновременно се проявява като поток от частици (фотони), които могат например да избиват електрони (фотоелектричен ефект), а в друг случай се държат като вълна – наблюдават се явленията дифракция и интерференция. Според квантовата механика фотоните нямат маса, което следва непосредствено от теорията на относителността.

Източници на светлина

Естествени 
Съществуват много и различни видове източници на светлина, но условно могат да се разделят на два вида – естествени и изкуствени. Към естествените спадат звездите, галактиките, светкавиците и други. Звездите са небесни тела, представляващи голямо кълбо газ, произвеждащо енергия чрез термоядрен синтез, предимно превръщането на водород в хелий. Тази енергия се разпространява в пространството под формата на електромагнитно излъчване. Галактиките са системи от звезди, междузвезден прах, тъмна материя и плазма. Светкавицата е електрически искров газов разряд, съдържащ огромна енергия, която се освобождава под формата на силно лъчение. Друг естествен източник на светлина е полярното сияние. То се наблюдава вследствие на взаимодействието на заредени частици от слънчевия вятър с магнитосферата и образува поразително красиви разноцветни светлини в небето.

Повечето от тези източници са топлинни (или термични) – с увеличаване на температурата започват да излъчват в различен диапазон. Така например повърхността на Слънцето при 6000 K излъчва във видимата част на електромагнитния спектър. Пламъците на обикновен огън или пожар са също термичен източник на светлина. С увеличаване на температурата максимумът на излъчването се премества към по-късите дължини на вълните, от инфрачервената към видимата част, като излъчването най-напред е червено, след това преминава през жълто-бяло и най-накрая синьо.

Съществуват и биологични естествени източници на светлина в природата – животни и растения, които излъчват светлина. Това явление се нарича биолуминесценция и е характерно например за светулките, планктона, някои видове гъби и някои морски животни. Определени химични вещества също излъчват естествена светлина. Това явление се нарича хемилуминесценция.

Слънцето свети със своя собствена светлина, докато Луната свети с отразена светлина.

Изкуствени 
Най-ранните изкуствени източници на светлина са свещите и факлите. Свещта представлява фитил от текстилен материал, поставен в средата на втвърдено гориво, което се разтапя при горенето. В днешно време за гориво се използва предимно парафин, но по-висококачествени свещи се произвеждат от стеарин или пчелен восък. Факлата представлява източник на светлина с дълга дървена дръжка и омотан плат в единия край, предварително потопен в някакво течно запалително вещество. Факлите са използвани още от дълбока древност, днешната им употреба е ограничена, но като традиция олимпийският огън се пренася с факли. Исторически следват маслените, керосиновите и газовите лампи и фенери.

С откритието на електричеството са създадени най-разнообразни източници на светлина и най-вече електрическата лампа. В лампата с нажежаема жичка се използва ефектът на нагряване на проводник с високо съпротивление (най-често сплав на волфрама) при протичане през него на електрически ток. За получаване на видимо излъчване на светлина е необходимо температурата да се повиши до няколко хиляди градуса. Само малка част от излъчваната светлина е във видимия за човешкото око спектър, а основен дял се пада на инфрачервените лъчи. Голяма част от потребената енергия се „хаби“ в процесите на топлоотдаване и топлопроводимост. За увеличаване на така наречената „бяла“ светлина е необходимо да се увеличи и температурата на нагряване на проводника, поради което се използват метали с висока точка на топене – най-често волфрам (3410 °С) и по-рядко осмий (3045 °С).

Луминесцентните осветителни тела или луминесцентни лампи са тип газоразрядни лампи, които се състоят от стъклен балон, запълнен с разреден газ (неон, аргон и други) и покрит от вътрешната страна с луминофор. При подаване на напрежение между анода и катода на лампата протича газов разряд, който е съпроводен с ултравиолетово излъчване, водещо до флуоресценция на луминофора.

Друг източник на светлина, широко използван в електрониката и в бита, е светодиодът – полупроводников диод, който се състои от области с положителни и отрицателни токоносители и p-n преход и излъчва некохерентна светлина в тесен спектър, когато през него протича електрически ток. Светодиодът съдържа един или няколко излъчващи светлина кристали, разположени в един корпус с леща, която създава светлинен поток.

Най-мощните и най-ярки източници на светлина днес са лазерите. Те са източници на монохроматична, кохерентна, насочена светлина. Лазерът изпуска тънък, добре насочен, кохерентен сноп с постоянна дължина на вълната (еднакъв цвят), постоянна фаза и голяма яркост, за разлика от некохерентните източници като електрическите крушки, които излъчват вълни в почти целия електромагнитен спектър и във всички посоки.

Свойства и характеристики

Скорост на светлината 

Скоростта на светлината във вакуум е теоретично най-голямата възможна скорост в природата, приблизително равна на 300 000 km/s (299 792 458 m/s). Тази точна скорост е дефиниция, а не измерване, и е абсолютна и независеща от движението на източника или наблюдателя. Днес метърът е дефиниран чрез скоростта на светлината, която е постоянна величина. Фазовата скорост на светлината зависи от показателя на пречупване в съответната среда, а следователно и от дължината на вълната, от което следва, че скоростта на светлината в среда, различна от вакуум, е по-ниска от тази във вакуум.

Частицата, носител на светлината, е фотонът, чиято маса в покой е равна на нула, което означава, че винаги се движи със скоростта на светлината.

Правени са различни опити за измерване на скоростта на светлината. Галилео Галилей прави опит за измерване на скоростта на светлината през 17 век. Друг експеримент е проведен от Оле Рьомер през 1676 г. С помощта на телескоп той наблюдава движението на Юпитер и неговия спътник Йо. Забелязвайки различия в периода на Йо, той изчислява, че на светлината отнема 22 минути да премине през диаметъра на земната орбита. Размерът на този диаметър не е известен по това време. Ако го е знаел, изчислената скорост на светлината би била 227 000 km/s. По-точно измерване е направено през 1849 г. от Иполит Физо. Той насочва лъч светлина към огледало, отдалечено на няколко километра. Въртящо се зъбно колело е поставено на пътя на светлината. Физо забелязва, че при определена скорост светлината преминава през една от пролуките на зъбното колело в едната посока и през следващата пролука при пътя си в обратната посока. Знаейки разстоянието до огледалото и скоростта на въртене, Иполит Физо изчислява скоростта на светлината – 313 000 km/s.

Леон Фуко с помощта на въртящи се огледала получава стойност 298 000 km/s през 1862 г. Албърт Майкелсън провежда експерименти за определяне на скоростта на светлината от 1877 година до смъртта си през 1931 г. Той усъвършенства методите на Фуко през 1926 г. и получава 299 796 km/s.

Електромагнитен спектър (цветове) 

Видимият спектър е част от електромагнитния спектър. Той няма ясно изразени и очертани граници – приема се, че човешкото око е чувствително към дължини на вълната от 400 до 750 nm, но някои хора са способни да възприемат малко по-широк диапазон – от 380 до 780 nm. Пресметнато в честота, това отговаря на интервала от 400 до 750 THz. Привикналото към светлината око обикновено е най-чувствително на вълни с дължина около 555 nm, т.е. в зелената област на видимия спектър.

Познатите ни в ежедневието цветове на дъгата включват всички цветове, дължащи се на видимата светлина. Тези цветове се наричат чисти спектрални или монохроматични. Всеки цвят покрива участък от видимия спектър, т.е. ивица или диапазон от дължини на вълните, които предизвикват еднакво усещане за цвят. За всеки такъв диапазон включените в него дължини на вълните се наричат метамери на съответния цвят. Най-често видимият спектър се разделя на шест основни цвята – червен, оранжев, жълт, зелен, син и виолетов цвят. Белият цвят се получава от смесването на всички спектрални цветове, а черният цвят говори за отсъствие на светлина.

Пречупване и отражение 

Отражението и пречупването на светлината са две явления, характерни за всички видове вълни. При отражението светлината се връща, отразява от дадена повърхност обратно в същата среда. Ако повърхността е гладка, явлението се нарича огледално отражение като типичен пример за това е отражението от огледало. При неравна повърхност, лъчите светлина се разпръскват в много различни посоки и това се нарича дифузно отражение. При него не се получава ясен образ.

При пречупването на границата на две среди светлината изменя посоката на разпространението си при преминаване във втората среда. Тъй като при преминаването през границата въздух-стъкло се наблюдава пречупване на светлината, ефектът е бил използван за създаване на оптичните лещи и лежи в основата на действие на всички оптични уреди. Той обяснява и редица светлинни явления като небесната дъга, миражите или разлагането на бялата светлина на цветове при преминаването ѝ през призма. Пречупването на светлината се описва от закона на Снелиус:

където
  е показател на пречупване на първата среда;
  е ъгъл на падане;
  е показател на пречупване на втората среда;
  е ъгъл на пречупване.

Когато светлината преминава от оптично по-плътна към оптично по-рядка среда (например от стъкло към въздух, от вода към въздух и т.н.) част от нея се отразява, а друга част преминава през по-плътната среда, като се пречупва. Каква част ще се отрази и каква ще се пречупи зависи от ъгъла на падане на светлинните (или слънчевите) лъчи спрямо разделителната повърхност. При определен ъгъл, наречен критичен, когато се отразява цялата светлина, без да се пречупва, се получава пълно вътрешно отражение. Критичният ъгъл се определя с формулата:

където n1 и n2 са индексите на пречупване за двете среди като n2 е на оптично по-рядката.

Пречупването, отражението и пълното вътрешно отражение намират широко приложение при изработката на оптични уреди като телескопи, камери, фотоапарати. Така например ефектът на пълното вътрешно отражение е използван в оптичните влакна за пренасяне на информация с минимални загуби.

Поляризация 
Като електромагнитна вълна светлината може да се поляризира при преминаване през определени вещества (например кристал от калциев карбонат или през специален поляризационен тънък слой, които пропускат само вълните с определена посока на поляризация. Поляризираната светлина може да взаимодейства с материали с двойно лъчепречупване така, че да се получават различни цветове. 

Поляризацията се обяснява с осцилирането на електричното поле в една определена равнина. При това се получава нарушение на симетрията на разпределение на трептенията в напречната вълна по отношение на направлението на нейното разпространение. Най-често срещаните поляризации са кръговата и линейната. Намира широко приложение в LCD, филтри и слънчеви очила.

Причина за възникване на поляризацията може да бъде:
 несиметрична генерация на вълни в източника на трептения;
 анизотропност на средата, в която се разпространяват вълните;
 пречупване и отражение на границата на две среди;

Използва се още и в 3D технологиите. За да се получи 3D образ, едното от стъклата на 3D очилата е с хоризонтална линейна поляризация а другото с вертикална. По този начин образите се разделят и двете очи виждат два различни образа от един екран. Резултатът е триизмерна картина.

Енергиен поток и енергиен интензитет 

Светлината представлява поток от фотони, всеки от които притежава енергия  (където h е константа на Планк), и следователно светлината пренася енергия, равна на сумата от енергиите на всички фотони. Да разгледаме една малка повърхност Δ S, разположена в пространството, през което преминава светлината. Нека Δ E да е енергията на пресичащите тази повърхност в едната посока фотони за време Δ t,. Величината:

 Δ Φ = Δ E Δ t, Δ Φ = Δ E Δ S cosθ
(където θ е ъгълът, под който падат лъчите)

показва каква енергия преминава за единица време през разглежданата повърхност и се нарича енергиен поток на светлината. Единицата за енергиен поток е ват: [ Φ ] = J/s = W. Енергийният поток се нарича още лъчист или квантов поток.

Нека Δ Φ е енергийният поток през някаква повърхност, състоящ се само от светлинните лъчи с определени посоки, които посоки попадат в един малък пространствен ъгъл Δ Ω. Величината:

 I = Δ Φ /Δ Ω

се нарича енергиен интензитет на светлината. Единицата за енергиен интензитет е ват на стерадиан: I = W/sr.

Физични теории 
Рене Декарт (1596 – 1650) дава представа за светлината като механично свойство на луминесцентно тяло. През 1637 година той публикува теорията на пречупването на светлината като грешно допуска, че светлината се движи по-бързо в по-плътни оптични среди. Той достига до това заключение по аналогия с поведението на звуковите вълни. Въпреки че допускането му за относителните скорости е невярно, той все пак правилно обяснява светлината като вълна и обяснява пречупването с различната скорост на светлината в различни среди. Макар че не е първият, който дава подобни обяснения, неговата теория се счита за началото на модерната оптика.

Корпускулярна теория 
Пиер Гасенди (1592 – 1655), атомист, предлага корпускулярната теория на светлината, която е публикувана след неговата смърт през 1660-те. Исак Нютон изучава работата на Гасенди в ранните си години и предпочита неговите идеи в сравнение с тези на Декарт. Той заявява в своята Хипотеза за светлината от 1675 г., че светлината е съставена от малки частици, които той нарича корпускули, които се излъчват във всички посоки от източниците на светлина. Един от аргументите на Нютон против вълновата теория на светлината е, че вълните обикновено се пречупват или огъват, когато срещнат препятствие, докато светлината се разпространява само по права линия. Въпреки това той обяснява процеса на дифракция на светлината (наблюдаван от Франческо Грималди) с това, че частица на светлината може да създаде локална вълна в етера.

Теорията на Нютон може да се използва за да предскаже отражението на светлината, но може да обясни рефракцията само с неправилното допускане, че светлината се ускорява, когато навлезе в оптически по-плътна среда, защото гравитацията е по-силна. Нютон публикува крайния резултат от изследванията си в Opticks от 1704 година. Неговата популярност и репутация спомагат за установяването на корпускулярната теория през 18 век. Тази теория води до допускането на Лаплас, че едно тяло може да бъде толкова масивно и с такава силна гравитация, че светлината да не може да „избяга“ – с други думи това, което днес е известно като черна дупка. Лаплас оттегля предположението си след установяването на вълновата теория на светлината.

Вълнова теория 

През 1660-те Робърт Хук публикува вълнова теория на светлината. Кристиан Хюйгенс работи над своя собствена вълнова теория на светлината през 1678 г. и я публикува в своята Монография на светлината през 1690 година. Той предполага, че светлината се разпространява във всички посоки като поредица от вълни в среда, наречена светоносен ефир. Тъй като вълните не са повлияни от гравитацията, се предполага, че те се забавят, когато навлизат в област с по-голяма плътност.

Вълновата теория предсказва, че светлинните вълни могат да интерферират една с друга подобно на звуковите (както е отбелязано около 1800 г. от Томас Янг), и че светлината може да бъде поляризирана, ако е напречна вълна. Янг показва в своя експеримент, когато пуска светлина през два отвора, че тя се държи като вълна и проявява свойства, характерни само за вълна. Той също предполага, че различните цветове са причинени от различни дължини на вълната и обяснява цветното зрение с 3 различни цветови рецептори в човешкото око.

Друг поддръжник на вълновата теория е Леонард Ойлер. В своята Nova theoria lucis et colorum (1746) той показва, че дифракцията може лесно да се обясни с вълновата теория на светлината.

Малко по-късно Огюстин Френел изработва независимо своя собствена теория на светлината и я представя пред Академията на науките през 1817 г. Симеон Дени Поасон добавя към работите на Френел математически изчисления, за да придаде убедителен аргумент в полза на вълновата теория, надявайки се да отхвърли корпускулярната теория на Нютон. Около 1821 г. Френел успява да покаже с помощта на математически методи, че поляризацията на светлината може да бъде обяснена само с помощта на вълновата теория на светлината и ако вълната е напълно напречна без каквато и да е надлъжна компонента.

Слабостта на вълновата теория е, че светлинните вълни, подобно на звуковите, трябва да имат среда, в която да се разпространяват. Хипотетично вещество, наречено светоносен ефир или етер е предложено за тази цел, но неговото съществуване е подложено на дълбоко съмнение и опровергано в края на 19 век с експеримента на Майкелсън-Морли.

От корпускулярната теория на Нютон следва, че светлината се движи по-бързо с по-плътни среди, докато от вълновата теория следва точно обратното. По това време скоростта на светлината не може да се измери достатъчно точно, за да се каже със сигурност коя теория е вярна. Първият, който прави достатъчно акуратно измерване, е Леон Фуко през 1850 г. Неговият резултат подкрепя вълновата теория, което в крайна сметка довежда до изоставяне на Нютоновата теория за частици, които изграждат светлината.

Електромагнитна теория 

През 1845 г. Майкъл Фарадей открива, че равнината на поляризация на линейно поляризирана светлина е завъртяна, когато светлината се разпространява в посока на магнитното поле в присъствието на прозрачен диелектрик, явление, което днес е известно като ефект на Фарадей. Това е първото доказателство, че светлината е тясно свързана с електромагнетизма. През 1846 г. той предполага, че светлината може да е вид смущение на средата, което се разпространява по дължината на магнитните линии на полето. През 1847 г. Фарадей прави предположението, че светлината е високочестотно електромагнитно трептене, което може да се разпространява дори без наличие на среда.

Работите на Фарадей вдъхновяват Джеймс Кларк Максуел да изучава електромагнитното излъчване и светлината. Той открива, че самостоятелно разпространяващи се електромагнитни вълни пътуват в пространството с постоянна скорост, която е равна на измерената преди това.

 

От всичко това Максуел заключава, че светлината представлява електромагнитно излъчване. За първи път той заявява това през 1862 г. във Физичните линии на силата. През 1873 г. той публикува Трактат по електричество и магнетизъм, който съдържа пълно математическо описание на поведението на електричното и магнитно поле, станали известни като уравнения на Максуел. Малко по-късно Хайнрих Херц потвърждава експериментално теорията на Максуел с генериране и детекция на радиовълни в лабораторията си и демонстрира, че тези вълни се държат по абсолютно същия начин като видимата светлина и имат свойството да се отразяват, пречупват, дифрактират и интерферират. Теорията на Максуел и опитите на Херц водят до развитието на съвременните радио, радар, телевизия, безжични комуникации и други.

Специална теория на относителността 
Вълновата теория успява да обясни почти всички оптични и електромагнитни явления и е голям успех на физиката на 19 век. В края на 19 век обаче се оказва, че съществува един минимален брой явления, които не могат да бъдат обяснени или са в пряк конфликт с тази теория. Една от тези аномалии е противоречието, свързано със скоростта на светлината. Постоянната скорост на светлината, изведена от уравненията на Максуел и потвърдена от опитите на Майкелсън-Морли, противоречи на законите на механиката, известни и непроменени още от времето на Галилео Галилей, които постулират, че всички скорости са относителни по отношения на наблюдателя. През 1905 г. Алберт Айнщайн разрешава този парадокс, като ревизира модела на Галилео за време и пространство и законите на Нютон за движение с добавката за постоянна скорост на светлината. Айнщайн формулира своите идеи в специалната теория на относителността, която дава съвсем нов поглед върху понятията време и пространство. Айнщайн също така показва равностойността на маса и енергия с широко популярното си уравнение:

 

където E е енергията, m е обикновено масата в покой или релативистката маса, и c е скоростта на светлината във вакуум.

Втори прочит на корпускулярната история 
Друга аномалия е фотоелектричният ефект, при който, ако повърхността на метал се освети, се освобождават електрони от тази повърхност и протича електрически ток. Експериментите показват, че енергията на индивидуалните електрони е пропорционална на честотата, вместо на интензитета на източника на светлина. Под една определена честота, в зависимост от метала, не протича електрически ток, независимо от интензитета. Това противоречи на вълновата теория и върху този проблем физиците работят в продължение на много години, за да намерят обяснение. През 1905 г. Айнщайн разрешава и тази загадка, този път с помощта на забравената и отхвърлена корпускулярна теория на светлината. Поради този факт обаче, идеите на Алберт Айнщайн в началото са посрещнати с голяма доза скептицизъм в средата на известните физици. Неговото обяснение обаче постепенно се утвърждава, той дори получава Нобеловата си награда именно заради фотоелектичния ефект. Всичко това създава основата за корпускулярно-вълновия дуализъм и една голяма част от квантовата механика.

Квантова теория 
Третата аномалия, която се проявява в края на 19 век, е противоречието между вълновата теория на светлината и измерванията на електромагнитния спектър на тела, които излъчват при нагряване, или така наречените абсолютно черни тела. Физиците дълго време се мъчат без успех да разрешат този проблем, който по-късно става известен като ултравиолетова катастрофа. През 1900 г. Макс Планк създава нова теория за излъчването на абсолютно черно тяло, която обяснява експерименталния спектър. Тя се основава на идеята, че черните тела излъчват светлина само дискретно (а не непрекъснато) в отделни пакети енергия. Тези пакети той нарича квант и дава име на частицата на светлината фотон, за да има същото звучене като електрон и протон. Енергията на фотона E е пропорционална на неговата честота f и се дава с формулата:

 

където h е константата на Планк,  е дължината на вълната, а c е скоростта на светлината. Импулсът p на фотона е пропорционален на неговата честота и обратно пропорционален на неговата дължина на вълната:

 

През 1918 година Макс Планк получава Нобелова награда за физика за ролята си в основаването на квантовата механика.

Корпускулярно-вълнов дуализъм 

Модерната теория обяснява същността и природата на светлината с дуализма частица-вълна, описан от Алберт Айнщайн в началото на 1900-те и основан на неговите изследвания на фотоелектричния ефект и резултатите на Планк. Айнщайн убедително показва, че енергията на фотона е пропорционална на неговата честота. Неговата теория изказва становището, че въобще всичко има вълнова и корпускулярна същност и че могат да се проведат различни опити, които да показват едната или другата същност. Корпускулярната същност е видна повече при обекти с голяма маса. През 1924 г. Луи дьо Бройл прави предположение, което кара научната общност да осъзнае, че електроните също проявяват този дуализъм и са едновременно частица и вълна. Вълновата природа на електрона е експериментално потвърдена от Дейвисън и Джермър през 1927 г. Айнщайн получава Нобелова награда през 1921 г. за работата си над дуализма на фотона и по-специално заради обяснението си на фотоелектричния ефект. През 1929 г. дьо Бройл получава Нобелова награда заради своето предположение, че корпускулярно-вълновият дуализъм е характерен и за други елементарни частици.

Квантова електродинамика 
Представите за светлината продължават да еволюират и през 1920-те и 1930-те, достигайки своя връх със създаването през 1940-те на теорията на квантовата електродинамика. Квантовата теория на полето е една от най-успешните от теоретична и експериментална гледна точка. Учените с най-големи приноси в разработването ѝ са Ричард Файнман, Фриймън Дайсън, Джулиан Швингър и Шиничиро Томонага. Файнман, Швингър и Томонага си поделят Нобеловата награда за физика през 1965 г. за приносите си в развитието на квантовата електродинамика и квантовата теория на полето.

Символизъм на светлината в изкуството и религията 

Светлината още от древността е възприемана като символ на доброто и живота, докато тъмнината (липсата на светлина) символизира злото или невежеството. Още с откриването на огъня светлината става жизненоважна съставна и неизменна част от живота на първобитния човек. В християнската религия Бог е описан като „светлина на светлините“. В много религии тя присъства като форма на свръхестественото или извънземното.

Светлината играе важна роля също в архитектурата и фотографията.

Светлина и здраве 
При по-голямата част от растителните и животинските видове естествената светлина играе много важна роля и е от фундаментално значение за биологичния цикъл. Само някои дълбоководни растения и животни съществуват в пълна тъмнина. Светлината от Слънцето е основен източник на енергия за екосистемите, най-вече чрез процеса на фотосинтеза. При човека лишаването от светлина за продължително време може да доведе до депресия. Ултравиолетовото излъчване (като част от слънчевата светлина) е необходимо за синтеза на витамин D.

Изследвания през 2008 г. показват, че приемането на мелатонин, съчетано с излагане на естествена светлина, значително подобряват съня и го правят по-здрав и по-продължителен. Освен на съня, излагането на светлина може да помогне за подобряването както на настроението, така и на когнитивните функции.

Външни препратки 

  измерване на скоростта на светлината
  Аспекти на светлината във фотографията 
  Фотоелектричен ефект

Източници 

Светлина