Cahaya

Cahaya (Jawi: ; pinjaman  chāya), secara tepatnya dikenali sebagai cahaya tampak, merupakan tenaga berbentuk gelombang dan membantu manusia dan binatang melihat. Cahaya juga merupakan asas kepada ukuran meter yang mana 1 meter bersamaan dengan jarak dilalui cahaya melalui vakum pada 1/299,792,458 saat. Kelajuan cahaya ditakrifkan pada kelajuan 299,792,458 meter sesaat.

Cahaya diperlukan dalam kehidupan seharian. Matahari ialah sumber cahaya yang utama. Tumbuhan hijau memerlukan cahaya untuk membuat makanan. Tumbuhan hijau ini akan menjadi makanan kepada haiwan lain yang akan menjadi makanan kepada haiwan lain pula. Interaksi ini membentuk rantaian makanan. Haiwan yang makan tumbuhan sahaja dikenali sebagai haiwan maun. Haiwan yang makan daging sahaja dikenali sebagai haiwan maging. Haiwan yang makan tumbuhan dan daging dikenali sebagai haiwan maserba.

Sifat-sifat cahaya ialah cahaya bergerak lurus ke semua arah. Buktinya ialah sebuah mentol yang menyala dapat dilihat dari sebarang penjuru dalam sebuah bilik gelap. Apabila cahaya terhalang, bayang akan terhasil disebabkan cahaya yang bergerak lurus tidak dapat melencong. Bagaimanapun, cahaya dapat dipantulkan. Keadaan ini disebut sebagai pantulan 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.

Pantulan cahaya 

Pantulan cahaya lebih baik dan teratur pada permukaan yang rata. Pantulan cahaya berselerak pada permukaan yang tidak rata. Dengan itu, cermin dan permukaan air yang jernih serta tenang ialah pemantul cahaya yang baik. Sifat ini membolehkan objek kelihatan jelas apabila dilihat dalam cermin.

Pantulan cahaya bergantung kepada jenis permukaan

Pembiasan cahaya menyebabkan penyedut minuman kelihatan bengkok dan lebih besar di dalam air, dan juga dasar kolam kelihatan lebih cetek daripada kedalaman sebenarnya. Cahaya yang jatuh pada permukaan yang rata dipantulkan secara teratur dan selari. Cahaya yang jatuh pada permukaan yang tidak rata dipantulkan secara berselerak. Imej dapat dilihat dalam cermin kerana ada pantulan cahaya. Cahaya yang dipantulkan oleh cermin bergerak ke arah mata untuk dikesan.

Alat-alat yang berfungsi berdasarkan prinsip pembiasan cahaya ialah:
 Kanta pembesar
 Mikroskop
 Teleskop

Warna-warna dalam cahaya matahari 

Cahaya putih matahari terdiri daripada tujuh warna iaitu:
 Merah
 Jingga
 Kuning
 Hijau
 Biru
 Biru nila (indigo)
 Ungu

Apabila ketujuh-tujuh warna ini bercampur, cahaya putih dihasilkan. Warna-warna dalam cahaya putih matahari boleh dipecahkan dengan menggunakan prisma menjadi jalur warna. Jalur warna ini dikenali sebagai spektrum. Pemecahan cahaya putih kepada spektrum ini dikenali sebagai penyerakan cahaya. Pelangi ialah spektrum yang terbentuk secara semula jadi. Pelangi terbentuk selepas hujan apabila cahaya matahari dibiaskan oleh titisan air hujan. Titisan air hujan bertindak sebagai prisma yang menyerakkan cahaya matahari kepada tujuh warna.

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 tentang cahaya

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 

Lihat Halaju 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.

Formula kelajuan cahaya 

,

Yang mana λ ialah panjang gelombang, f ialah frekuensi, v ialah kelajuan cahaya. Kalau cahaya bergerak di dalam vakum, jadi v = c, jadi

,

yang mana c ialah kelajuan cahaya. v boleh diterangkan sebagai

yang mana n ialah pemalar (indek biasan) iaitu sifat bahan yang dilalui oleh cahaya.

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.

Pengukuran cahaya 

Kuantiti-kuantiti dan unit-unit berikut digunakan untuk mengukur cahaya

 kecerahan (atau suhu)
 pencahayaan (unit SI: lux)
 fluks berkilau (unit SI: lumen)
 keamatan berluminositi (unit SI: kandela)

Juga lihat: Fotometri

Sumber cahaya 

 radiasi termal (sinaran jasad hitam)
 mentol lampu pijar
 cahaya matahari
 nyalaan partikel pepejal berkilau (lihat api)
 spektrum atom pancaran (garis pancaran sama ada terangsang atau spontan (serta-merta))
 laser dan maser (pancaran terangsang)
 Diod pemancar cahaya (LED)
 lampu nyahcas gas (lampu-lampu neon, lampu raksa, dsb)
 nyalaan (cahaya daripada gas panas, juga lihat di atas)
 pecutan bebas zarah bercas (biasanya elektron)
 radiasi siklotron
 radiasi Bremsstrahlung
 radiasi Cherenkov
 kemopendarcahaya (chemoluminescence)
 pendafluor
 pendarfosfor
 tiub sinar katod
 biopendarcahaya (bioluminescence)
 sonopendarcahaya (sonoluminescence)
 tribopendarcahaya (triboluminescence)
 reputan radioaktif
 pemusnahan zarah-antizarah

Gelombang cahaya 

Gelombang cahaya boleh dipecahkan kepada dua komponen; medan elektrik dan magnetik.

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

Lihat juga 

 Prinsip Huygens
 Suhu warna
 Pencahayaan
 International Commission on Illumination
 Kembaran zarah-gelombang
 Pencemaran cahaya
 photic sneeze reflex

Rujukan 

 
Optik