Cahaya

Pembiasan cahaya

Cahaya dipesongkan apabila bergerak secara serong melalui medium yang berlainan seperti melalui udara melalui kaca melalui air. Keadaan ini disebut sebagai pembiasan cahaya. Cahaya bergerak lebih laju melalui udara daripada melalui air. Cahaya juga bergerak lebih laju melalui udara daripada melalui kaca. Oleh itu cahaya yang bergerak secara serong dipesongkan apabila melalui dua medium yang berbeza. Cahaya yang bergerak lurus melalui medium yang berbeza tidak dibiaskan.

Penyerakan Cahaya Putih Matahari

Spektrum warna terbentuk kerana cahaya yang berlainan warna terbias pada sudut yang berlainan. Cahaya ungu terbias dengan paling banyak. Cahaya merah terbias dengan paling sedikit. Warna-warna spektrum boleh digabungkan semula bagi menghasilkan cahaya putih dengan menggunakan dua prisma.

Teori kurun ke-10

Saintis Abu Ali Hasan Ibn Al-Haitham (965–sekitar 1040), juga dikenali sebagai Alhazen di barat, mengasaskan teori umum yang menjelaskan penglihatan menggunakan geometri dan anatomi yang menyatakan bahawa setiap titik pada kawasan yang disinari atau objek memancarkan sinaran cahaya ke semua arah tetapi hanya satu sinaran dari setiap titik yang mengenai mata pada sudut tepat dapat dilihat. Sinaran-sinaran lain yang mengenai mata pada sudut yang berlainan tidak dapat dilihat. Beliau menggunakan contoh daripada kamera lubang jarum yang menghasilkan imej songsang untuk menyokong hujahnya. Alhazen menganggap bahawa sinaran cahaya ialah arus zarah-zarah seni yang bergerak pada kelajuan terhad. Dia memperbaiki teori Ptolemy berkenaan pembiasan cahaya. Hasil kerja Alhazen tidak diketahui di Eropah sehingga lewat kurun ke-16.

Teori zarah

Isaac Newton mencadangkan dalam bukunya Hypothesis of Light pada 1675 bahawa cahaya terdiri daripada zarah halus (partikel jirim) yang memancar pada semua arah dari sumbernya. Teori ini boleh digunakan untuk menghujahkan pantulan cahaya, tetapi cuma boleh menerangkan pembiasan secara tidak sebetulnya dengan menganggap bahawa cahaya menjadi lebih laju semasa memasuki medium yang lebih tumpat kerana daya tarikan graviti adalah lebih kuat.

Teori gelombang

Christiaan Huygens mencadangkan dalam abad ke-17 bahawa cahaya dipancarkan ke semua arah sebagai siri-siri gelombang. Pandangan ini menggantikan teori zarah halus. Pandangan ini disebabkan gelombang tidak diganggu oleh graviti, justeru gelombang dianggap menjadi perlahan ketika memasuki medium yang lebih tumpat. Teori gelombang ini menghujahkan bahawa gelombang cahaya akan berinterferens dengan gelombang cahaya yang lain, seperti juga gelombang bunyi (seperti yang disebut oleh Thomas Young pada kurun ke-18), dan cahaya boleh dikutubkan. Kelemahan teori ini ialah gelombang cahaya, seperti juga gelombang bunyi, memerlukan medium untuk merambat. Satu kandungan hipotesis yang dipanggil luminiferous aether telah dicadangkan, tetapi kemudiannya tidak dipersetujui.

Teori elektromagnet

Dalam tahun 1845, Michael Faraday mendapati bahawa sudut pengutuban sinaran cahaya yang melalui bahan pengutub boleh diubah menggunakan medan magnet. Sifat ini merupakan bukti pertama bahawa cahaya berkait dengan keelektromagnetan. Pada tahun 1847, Faraday mengusulkan bahawa cahaya ialah getaran elektromagnet frekuensi tinggi yang boleh merambat walaupun dalam ketiadaan medium seperti eter.
Teori ini dicadangkan oleh James Clerk Maxwell pada pengakhiran abad ke-19 yang memperkatakan bahawa gelombang cahaya ialah gelombang elektromagnet, jadi ia tidak memerlukan medium untuk merambat. Pada permukaannya, dianggap bahawa gelombang cahaya disebarkan melalui rangka rujukan yang tertentu, seperti eter, tetapi relativiti khas manggantikan anggapan ini. Teori elektromagnet menunjukkan bahawa sinaran boleh lihat ialah sebahagian daripada spektrum elektromagnet. Teknologi penghantaran radio dicipta berdasarkan teori ini dan masih lagi menggunakannya.
Kelajuan cahaya malar yang diramalkan dalam persamaan Maxwell adalah bertentangan dengan hukum mekanikal pergerakan yang tidak pernah disanggah semenjak zaman Galileo, yang menyatakan bahawa semua kelajuan adalah relatif kepada kelajuan pemerhati. Penyelesaian kepada pertentangan ini akan dijumpai oleh Albert Einstein.

Teori kuantum

Ia telah dibangunkan pada kurun ke-19 oleh Max Planck, yang mencadangkan pada tahun 1900 bahawa sinaran cahaya terdiri daripada paket (kuantum) tenaga yang dikenali sebagai foton. Jawatankuasa Nobel menghadiahkan Planck Anugerah Fizik pada 1918 untuk kerja-kerja beliau dalam penemuan teori kuantum, walaupun beliau bukannya orang yang pertama memperkenalkan prinsip asas partikel cahaya.

Teori kembaran zarah-gelombang

Teori kembaran zarah-gelombang menggabungkan tiga teori yang sebelumnya, dan mencadangkan bahawa cahaya ialah zarah dan gelombang. Teori ini merupakan teori moden yang menerangkan bukan sahaja sifat cahaya, malahan semua zarah. Ia diterangkan oleh Albert Einstein pada awal 1900 berdasarkan hasil kerjanya berkenaan kesan fotoelektrik, dan juga hasil kajian Planck. Einstein menunjukkan bahawa tenaga foton berkadar langsung dengan frekuensinya. Secara amnya, teori tersebut menyatakan bahawa setiap benda mempunyai sifat zarah, dan sifat gelombang, dan pelbagai eksperimen boleh dijalankan untuk menunjukkan sifat-sifat tersebut. Sifat zarah lebih mudah dikesan sekiranya objek tersebut memiliki jisim yang besar. Oleh sebab itu hanya pada 1924, dalam eksperimen yang dijalankan oleh Louis de Broglie, barulah elektron dijumpai memiliki sifat kembaran gelombang-zarah. Einstein menerima Hadiah Nobel pada 1921 untuk hasil kerjanya berkenaan kembaran gelombang-zarah bagi zarah foton, dan de Broglie pula menerimanya pada tahun 1929 untuk penyambungan kajian bagi zarah-zarah lain.

Panjang gelombang tampak

Cahaya tampak ialah sebahagian daripada spektrum yang mempunyai panjang gelombang antara lebih kurang 400 nanometer (kependekannya ialah nm) dan 800 nm (dalam udara). Cahaya boleh dipecahkan kepada frekuensinya. Frekuensi dan panjang gelombang adalah berkadar terus.

Kelajuan cahaya

Walaupun beberapa orang berkata tentang "halaju cahaya", perkataan halaju sepatutnya ditinggalkan untuk kuantiti vektor (dikaitkan dengan arah). Kelajuan cahaya ialah kuantiti skalar (ia tidak mempunyai arah), oleh itu kelajuan ialah istilah yang lebih tepat.

Perubahan dalam kelajuan cahaya

Semua cahaya bergerak pada kelajuan yang terhingga. Walaupun seseorang pemerhati bergerak, dia akan sentiasa mendapati kelajuan cahaya ialah c, kelajuan cahaya dalam vakum, iaitu c = 299,792,458 meter per saat (186,282.397 batu per saat). Walau bagaimanapun, apabila cahaya melalui objek yang boleh ditembusi cahaya seperti udara, air dan kaca, kelajuannya dikurangkan, dan ia mengalami pembiasan, iaitu n=1 dalam vakum dan n>1 di dalam jirim.

Sejarah pengukuran kelajuan cahaya

Kelajuan cahaya telah diukur banyak kali oleh ahli fizik. Pengukuran awalan yang paling baik dilakukan oleh Olaus Roemer (ahli fizik Denmark), dalam 1676. Beliau telah mencipta kaedah mengukur kelajuan cahaya. Beliau mendapati dan telah mencatatkan pergerakan planet Musytari dan satu daripada bulannya dengan menggunakan teleskop. Adalah mungkin untuk mengira masa kitaran bulan tersebut kerana ia digerhanakan oleh Musytari pada masa kitaran yang biasa. Roemer telah mendapati bahawa bulan tersebut mengorbit Musytari sekali setiap 42 1/2 jam apabila Bumi adalah paling hampir dengan Musytari. Masalahnya adalah apabila Bumi dan Musytari berjauhan, putaran orbit bulan tersebut kelihatan bertambah. Fenomena ini menunjukkan cahaya memerlukan lebih masa untuk samapai ke Bumi. Kelajuan cahaya dikira dengan menganalisis jarak antara planet pada masa masa tertentu. Roemer mendapati kelajuan cahaya ialah 227,000 kilometer sesaat (sekitar 141,050 batu sesaat).
Albert A. Michelson memperbaiki hasil kerja Roemer pada tahun 1926. Beliau menggunakan cermin berputar untuk mengukur masa yang diambil cahaya untuk pergi balik dari Gunung Wilson ke Gunung San Antonio di California. Ukuran jitu menghasilkan kelajuan 186,285 batu sesaat (299,796 kilometer sesaat). Dalam penggunaan harian, jumlah ini dibundarkan kepada 186,000 batu sesaat dan 300,000 kilometer sesaat.

Optik

Kajian mengenai cahaya dan interaksi cahaya dengan jirim dikenali sebagai optik. Pemerhatian dan kajian mengenai fenomena optik seperti pelangi menyumbangkan pelbagai maklumat sifat semula jadi cahaya serta keseronokan.

Warna dan panjang gelombang

Panjang gelombang yang berlain-lainan diinterpretasikan oleh otak manusia sebagai warna, daripada merah bagi panjang gelombang terpanjang (frekuensi paling rendah) hingga kepada ungu bagi panjang gelombang terpendek (frekuensi paling tinggi). Frekuensi-frekuensi perantaraan dilihat sebagai jingga, kuning, hijau, biru, dan, secara konvensionalnya, indigo. Frekuensi-frekuensi sejurus selepas julat penglihatan manusia dikenali sebagai ultraungu (UV) pada penghujung frekuensi tinggi dan inframerah (IR) pada yang rendah. Walaupun manusia tidak dapat melihat IR, namun mereka dapat mengesannya melalui reseptor-reseptor kulit sebagai haba. Kamera yang mengesan IR dan menukarnya kepada cahaya tampak dipanggil kamera penglihatan malam. Sinaran UV tidak dapat dikesan oleh manusia kecuali dalam cara yang agak lambat, iaitu dedahan berlebihan kulit terhadap cahaya UV boleh menyebabkan kulit terbakar, atau barah kulit. Sesetengah jenis binatang, seperti lebah, boleh melihat sinaran UV manakala ular kapak boleh melihat IR menggunakan lubang-lubang yang terdapat pada kepalanya.

Gelombang cahaya

Medan elektrik dan medan magnetik cahaya adalah berseranjang antara satu sama lain.