Svetlo

Svetlo je jedným zo základných javov, s ktorými sa ľudstvo stretáva od nepamäti. Prvotným a úplne najdôležitejším zdrojom svetla na Zemi je Slnko. Ďalšími bežnými zdrojmi svetla existujúcimi po celú dobu histórie našej planéty môžu byť rôzne exotermické chemické reakcie typu horenia, prípadne fyzikálne deje spojené s uvoľňovaním energie, a tým s vyžarovaním svetelného žiarenia (výboje, geotermálne javy a ďalšie).

Teórie pochopenia pojmu svetla

Hoci má svetlo pre život na Zemi obrovský a úplne zásadný význam, bolo nejaké prijateľné vysvetlenie jeho podstaty pre ľudstvo dlhú dobu neriešiteľným problémom. Dodnes je fyzikálne presné pochopenie pojmu svetlo veľmi ťažké. O popis a charakteristiku fenoménu svetlo sa pokúšali filozofi a vedci už dávno. Starogrécky filozof Platón sa domnieval, že aktívnym zdrojom svetla sú ľudské oči. Rovnaký názor, že sa svetlo šíri z očí, zastával i matematik a geometer Euklides. Tento pomerne rozšírený koncept avšak naráža na prekvapivo úplne zrejmý spor v otázke „prečo v takomto prípade nevidíme potme“. Atomista Démokritos v súlade so svojou ideou, že všetky veci na svete sa skladajú z veľmi malých častíc, ďalej nedeliteľných atómov, predpokladá, že taktiež svetlo je prúdom častíc, ktorý je vysielaný každým viditeľným predmetom. Naproti tomu filozof Aristoteles, ktoreho rozsiahle encyklopedické dielo položilo základy mnohých vied a ktorý bol základnou autoritou nielen v staroveku, ale aj po celé obdobie stredoveku, s atomistickým pohľadom nesúhlasí a predpokladá, že svetlo samo o sebe nie je telesom, nie je ani emitované nejakým telesom, ale šíri sa priestorom ako vlny po vodnej hladine. Je veľmi zaujímavé, že už v starovekom Grécku sa objavujú obe základné koncepcie výkladu pojmu svetlo, t. j. teórie korpuskulárnej (časticovej) u Démokrita aj teórie vlnovej u Aristotela. K obidvom týmto teóriám sa ešte opakovane vrátime.

Newton a svetlo

Novoveká filozofia, začínajúca moderná prírodoveda a fyzika sa k výkladu pojmu svetlo vracia. Podrobne vlastnosti svetla popísal najmä anglický filozof, prírodovedec, fyzik a matematik Isaac Newton vo svojom diele Opticks, or a treatise of the reflexions, refractions, inflexions and colours of light (skrátene – Optika) vydaným v roku 1704. Newton vo svojom diele predpokladá, že svetlo je prúd veľmi malých častíc šíriacich sa zo svietiacich telies a na tomto základe vysvetľuje javy geometrickej optiky, ako sú odraz, lom a rozklad svetla. Newtonova časticová teória svetla však nedokázala poriadne vysvetliť všetky pozorované optické javy, trebárs interferenciu (skladanie) svetla, ohyb svetla na štrbine či polarizáciu.

Vlnová teória svetla

V rovnakom období ako Newtonova korpuskulárna (časticová) teória vzniká aj vlnová teória svetla. Jej autorom je holandský fyzik, matematik a astronóm Christiaan Huygens. Ten popísal v roku 1678 svetlo ako vlnenie a pomocou svojej vlnovej teórie svetla úspešne vysvetlil väčšinu jeho špecifických vlastností.Znovu taktiež zaviedol staroveký pojem éter (aithér). Pojem éter označoval hypotetickú všadeprítomnú látku, v ktorej sa šíri svetlo rovnakým spôsobom, ako sa šíri obyčajné mechanické vlnenie bežnou hmotou. Neskoršie, v 19. storočí, sa predpokladalo, že sa v éteri šíria aj ďalšie druhy novoobjaveného elektromagnetického vlnenia.

Elektromagnetické vlnenie

S elektromagnetickým vlnením úzko súvisí práca škótskeho fyzika Jamesa Clarka Maxwella, ktorý v 19. storočí popísal súvislosť elektriny a magnetizmu. Z jeho štyroch základných Maxwellových rovníc vyplýva, že svetlo je len jedným z druhov elektromagnetického žiarenia. Ide o veľmi úzky interval vlnových dĺžok. Svetlo má podľa farby vlnovú dĺžku zhruba medzi 400 nm a 760 nm; elektromagnetické žiarenie všeobecne môže mať vlnovú dĺžku od 10 – 12 m (žiarenie gama) do 103 m (dlhé rádiové vlny). Z Maxwellových rovníc taktiež vyplýva, že k šíreniu svetla nie je nutný žiadny éter, že sa svetlo môže šíriť vo vákuu aj v látkovom prostredí.

Fotoelektrický jav

Začiatkom 20. storočia bol objavený fotoelektrický jav, ktorého experimentálne prejavy však vôbec nezodpovedali správaniu svetla predpovedanému Maxwellovou teóriou elektromagnetického žiarenia. Tento jav vysvetlil v roku 1905 až Albert Einstein, ale prekvapivo na základe korpuskulárnej (časticovej) teórie svetla, ktorá bola v tej dobe považovaná už za úplné prekonanú. V novej podobe tejto teórie môžu častice svetla – fotóny existovať len s presne definovanou energiou ako energetické kvantá. Fotóny sú zvláštne častice, ktoré nemôžu existovať v pokoji, ale neustále sa pohybujú, a to práve rýchlosťou svetla (vo vákuu je táto rýchlosť c = 3 · 108 m/s).

Lom svetla

Medzi vlastnosti svetla, ktoré je možné veľmi dobre vysvetliť pomocou vlnovej teórie svetla, patrí lom svetla pri prechode medzi dvoma opticky rôzne hustými prostrediami. Lom svetla je špeciálnym prípadom lomu vlnenia, čo je jeho všeobecná vlastnosť pri priechode rozhraním dvoch prostredí, v ktorých má vlnenie rôznu fázovú rýchlosť. Lom vlnenia vychádza z Huygensovho princípu popisujúceho šírenie vlnenia pomocou vlnoplôch. Špecifickým dôsledkom lomu svetla je rozklad (disperzia) svetla. Biele svetlo, ktoré je zložené zo svetiel rôznych vlnových dĺžok, a teda aj farieb, sa pri lome svetla rozkladá na jednotlivé farby a vzniká spektrum. Je to spôsobené tým, že svetlo rôznych vlnových dĺžok (farieb) sa v látkovom prostredí šíri rôznou rýchlosťou, a preto sa aj inak láme. Vo farebnom spektre je možno pozorovať farby podľa postupne klesajúcich vlnových dĺžok daného svetla, od červenej s najdlhšou vlnovou dĺžkou, cez oranžovú, žltú, zelenú, modrú, indigovú (modrofialovú), až po fialovú s najkratšou vlnovou dĺžkou. Týchto sedem základných farieb vzniknutých pri rozklade svetla pomenoval už Newton, je treba si však uvedomiť, že sa medzi nimi nachádza nekonečne mnoho farebných odtieňov.

Slnečné svetlo, rovnako ako svetlo vyžarované inými rozžeravenými zdrojmi svetla (halogénové aj obyčajné žiarovky, sviečky), má spojité spektrum a obsahuje svetlo všetkých vlnových dĺžok. Podľa teploty svietiaceho telesa môže byť vlnová dĺžka, na ktorej vyžaruje teleso maximum energie, posunutá k červenému alebo fialovému koncu spektra. Tak je slnečné svetlo biele, svetlo žiarovky žltkasté a svetlo sviečky oranžové. Všetky tieto zdroje však stále majú spojité spektrum. Je zaujímavé, že iné zdroje môžu mať nespojité (čiarové či pásové) spektrum, a napriek tomu naše oko vníma ich farbu ako bielu. (Toto súvisí s fyziológiou farebného videnia ľudského oka.) Takýmito zdrojmi sú napríklad žiarivky (úsporné žiarovky) alebo LCD displeje a monitory. Iné vlastnosti svetla, najmä jeho priamočiare šírenie a odraz, je možné názornejšie vysvetliť naopak pomocou korpuskulárnej (časticovej) teórie svetla. Princíp priamočiareho šírenia svetla je pri predstave prúdu svetelných častíc úplne zrejmý. Rovnako tak je zrejmý aj odraz svetla od rozhrania (typicky od zrkadla), kedy je možno odraz demonštrovať mechanicky ako dokonale pružný ráz, pri ktorom sa zachováva energia aj hybnosť častíc. Svetlo sa odráža od zrkadlových plôch podľa rovnakých pravidiel ako biliardová guľa od mantinelov biliardového stola.

Vlastnosti svetla

Svetlo pri svojom šírení prenáša energiu. Tento fakt vyplýva z korpuskulárnej (časticovej) teórie svetla, kedy pri mechanistickom poňatí má každá svetelná častica svoju rýchlosť, hmotnosť a teda taktiež kinetickú energiu a hybnosť. Tu je však nutné upozorniť na skutočnosť, že fotóny nemôžu existovať v pokoji, nemá zmysel pri nich hovoriť o pokojovej hmotnosti. Pohybujú sa neustále rýchlosťou svetla, majú presne definovanú kvantovanú energiu (ktorá súvisí s ich vlnovou dĺžkou), a preto majú aj hmotnosť, ako vyplýva zo špeciálnej teórie relativity. Rovnako tak je ale možné prenos energie šíriacim sa svetlom vyložiť pomocou vlnovej teórie svetla. Svetlo je podľa Maxwella len jedným z druhov elektromagnetického vlnenia a každé elektromagnetické vlnenie pri svojom pohybe priestorom prenáša energiu. Na šírenie energie vlnením je opäť možné zjednodušene nazerať mechanisticky. Takisto mechanické vlnenie prenáša priestorom, v ktorom sa šíri energiu, ako je vzruch odovzdávaný z jedného kmitajúceho bodu do ďalšieho.

Absolútne čierne teleso

Pre potrebu presného výpočtu energie vyžarovanej či pohlcovanej rozžeraveným zdrojom elektromagnetického žiarenia sa zavádza pojem absolútne čierne teleso. Ide o ideálne teleso, ktoré úplne pohlcuje žiarenie všetkých vlnových dĺžok dopadajúce na jeho povrch. Všetky reálne telesá oproti tomu časť žiarivej energie dopadajúcej na ich povrch odrážajú späť, a preto vždy pohlcujú menej energie, než absolútne čierne teleso. Telesá s bielym alebo zrkadlovým povrchom pohlcujú energie najmenej. Absolútne čierne teleso je taktiež ideálny žiarič, zo všetkých možných telies vyžaruje pri danej teplote najviac energie. Rovnako tak biele telesá alebo telesá so zrkadlovým povrchom vyžarujú málo energie (kovové lesklé termofólie záchranárov).