1 VEŠKERÁ HMOTA VE VESMÍRU JE TVOŘENA VELMI MALÝMI ČÁSTICEMI

Světlo

Světlo je jedním ze základních jevů, se kterými se lidstvo setkává od nepaměti. Prvotním a úplně nejdůležitějším zdrojem světla na Zemi je Slunce. Dalšími běžnými zdroji světla existujícími po celou dobu historie naší planety mohou být různé exotermické chemické reakce typu hoření, případně fyzikální děje spojené s uvolňováním energie, a tím s vyzařováním světelného záření (výboje, geotermální jevy a další).

Teorie pochopení pojmu světla

Ačkoli má světlo pro život na Zemi obrovský a úplně zásadní význam, bylo nějaké přijatelné vysvětlení jeho podstaty pro lidstvo dlouhou dobu neřešitelným problémem. Dodnes je fy­ zikálně přesné pochopení pojmu světlo velmi těžké. O popis a charakteristiku fenomé­ nu světla se pokoušeli filozofové a vědci už dávno.Starořecký filozof Platón se domníval, že aktivním zdrojem světla jsou lidské oči. Stejný názor, že se světlo šíří z očí, zastával i matematik a geometr Euklides. Tento poměrně rozšířený koncept však naráží na překvapivě úplně zřejmý spor v otázce „proč v tomto případě nevidíme potmě“. Atomista Demokritos v souladu se svou idejí, že veškeré věci na světě se skládají z velmi malých částic, dále nedělitelných atomů, předpokládá, že taktéž světlo je proudem částic, který je vysílán každým viditelným předmětem. Oproti tomu filozof Aristoteles, jehož rozsáhlé encyklopedické dílo položilo základy mnohých věd a jenž byl základní autoritou nejen ve starověku, ale i po celé období středověku, s  atomistickým pohledem nesouhlasí a  předpokládá, že světlo samo o sobě není tělesem, není ani emitované nějakým tělesem, ale šíří se prostorem jako vlny po vodní hladině. Je velmi zajímavé, že už ve starověkém Řecku se objevují obě základní koncepce výkladu pojmu světlo, t. j. teorie korpuskulární (částicové) u Demokrita také teorie vlnovéu Aristotela. K oběma těmto teoriím se ještě opakovaně vrátíme.

Newton a světlo

Novověká filozofie, začínající moderní přírodověda a  fyzika se k  výkladu pojmu světlo vrací. Podrobně vlastnosti světla popsal hlavně anglický filozof, přírodovědec, fyzik a matematik Isaac Newton ve svém díle Opticks, or a treatise of the reflexions, refractions, inflexions and colours of light(zkráceně – Optika), které bylo vydané v roce 1704. Newton ve svém díle předpokládá, že světlo je proud velmi malých částic šířících se ze svítících těles a na tomto základě vysvětluje jevy geometrické optiky, jako jsou odraz, lom a rozklad světla. Newtonova částicová teorie světla však nedokázala pořádně vysvětlit veškeré pozorované optické jevy, např. interferenci (skládání) světla, ohyb světla na štěrbině či polarizaci.

Vlnová teorie světla

Ve stejném období jako Newtonova korpuskulární (částicová) teorie vzniká také vlnová teorie světla. Jejím autorem je holandský fyzik, matematik a astronom Christiaan Huy­ gens. Ten v roce 1678 popsal světlo jako vlnění a pomocí své vlnové teorie světla úspěšně vysvětlil většinu jeho specifických vlastností. Znovu taktéž zavedl starověký pojem éter (aithér). Pojem éter označoval hypotetickou všudypřítomnou látku, ve které se šíři světlo stejným způsobem, jako se šíří obyčejné mechanické vlnění běžnou hmotou. Později, v 19. století, se předpokládalo, že se v éteru šíří i další druhy nově objeveného elektromagnetického vlnění.

Elektromagnetické vlnění

S elektromagnetickým vlněním úzce souvisí práce skotského fyzika Jamesa Clarka Max­wella, který v 19. století popsal souvislost elektřiny a magnetizmu. Z jeho čtyř základních Maxwellových rovnic vyplývá, že světlo je jen jedním z několika druhů elektromagnetic­ kého záření. Jde o velmi úzký interval vlnových délek. Světlo má podle barvy vlnovou délku zhruba mezi 400 nm a 760 nm; elektromagnetické záření všeobecně může mít vlnovou délku od 10 – 12 m (záření gama) do 103 m (dlouhé rádiové vlny). Z Maxwellových rovnic taktéž vyplývá, že k  šíření světla není nutný žádný éter, že se světlo může šířit ve vakuu i v látkovém prostředí

Fotoelektrický jav

Začátkem 20. století byl objeven fotoelektrický jev, jehož experimentální projevy však vůbec neodpovídaly chování světla předpovězenému Maxwellovou teorií elektromagnetického záření. Tento jev vysvětlil v roce 1905 až Albert Einstein, ale překvapivě na základě korpuskulární (částicové) teorie světla, která byla v té době považována už za úplně překonanou. V nové podobě této teorie mohou částice světla – fotony existovat jen s přesně definovanou energií jako energetická kvanta. Fotony jsou zvláštní částice, které nemo­ hou existovat v klidu, ale neustále se pohybují, a to právě rychlostí světla (ve vakuu je tato rychlost c = 3 · 10^8 m/s).

Existuje jednoznačný vztah mezi energií fotonů a  barvou světla. Vzhledem k  tomu, že barva světla odpovídá i  vlnové délce příslušného elektromagnetického záření, je možné přiřadit fotonu (tedy částici) i vlnovou délku. Tento fakt je v úplném rozporu se zkušenostmi klasické fyziky. V průběhu 20. století s rozvojem kvantové mechaniky však fyzici dospěli k závěru, že každý fyzikální objekt má současně vlastnosti částice i vlnění. Například elektron je možné ve většině případů považovat za typickou částici, ale v některých situacích mikrosvěta má také vlnové vlastnosti. Foton jako elementární kvantum světla, resp. všeobecněji elektromagnetického záření, má taktéž vlastnosti částice i vlastnosti vlnění. Některé světelné jevy je možné vysvětlit lépe korpuskulární teorií, kdy nahlížíme na světlo jako na proud částic, jiné zase vlnovou teorií, kdy považujeme světlo za vlnění. Tuto myšlenku v kvantové mechanice zevšeobecnil pro všechnu hmotu francouzský fyzik Luis de Broglie, když postuloval všeobecný princip duality částice a vlnění.

Lom světla

Mezi vlastnosti světla, které je možné velmi dobře vysvětlit pomocí vlnové teorie světla, patří lom světla při přechodě mezi dvěma opticky různě hustými prostředími. Lom světla je speciálním případem lomu vlnění, což je jeho všeobecná vlastnost při přechodu roz­ hraním dvou prostředí, ve kterých má vlnění různou fázovou rychlost. Lom vlnění vychází z  Huygensova principu popisujícího šíření vlnění pomocí vlnoploch. Specific­kým důsledkem lomu světla je rozklad (disperze) světla. Bílé světlo, které je složeno ze světel různých vlnových délek, a tedy i barev, se při lomu světla rozkládá na jednotlivé barvy a vzniká spektrum.Je to způsobeno tím, že světlo různých vlnových délek (barev) se v látkovém prostředí šíří různou rychlostí, a proto se i jinak láme. V barevném spektru lze pozorovat barvy podle postupně klesajících vlnových délek daného světla, od červené s nejdelší vlnovou délkou, přes oranžovou, žlutou, zelenou, modrou, indigovou (modro-fialovou), až po fialovou s nejkratší vlnovou délkou. Těchto sedm základních barev vzniklých při rozkladu světla pojmenoval už Newton, je třeba si však uvědomit, že se mezi nimi nachází nekonečně mnoho barevných odstínů.

Rozklad světla se nejčastěji demonstruje na přechodu světla optickým hranolem. Při něm dochází ke dvojitému lomu světla – na stěně, kterou světlo do hranolu vstupuje, i na stěně, kterou světlo z hranolu vystupuje, proto je rozklad zřetelnější. Typickým úkazem, při kterém dochází k rozkladu světla lomem v přírodě, je duha. K lomu a rozkladu bílého slunečního světla v duze dochází při vstupu světla do dešťové vodní kapky a taktéž při výstupu z ní. Duha vzniká při dešti, pokud zároveň svítí slunce.Může ale vzniknout i ve vodní tříšti nad vodopádem nebo při kropení zahradní hadicí.

Sluneční světlo, stejně jako světlo vyzařované jinými rozžhavenými zdroji světla (halogenové i obyčejné žárovky, svíčky), má spojité spektrum a obsahuje světlo všech vlnových délek. Podle teploty svítícího tělesa může být vlnová délka, na které vyzařuje těleso maximum energie, posunutá k červenému nebo fialovému konci spektra. Tak je sluneční světlo bílé, světlo žárovky nažloutlé a světlo svíčky oranžové. Všechny tyto zdroje však stále mají spojité spektrum. Je zajímavé, že jiné zdroje mohou mít nespojité (čárové či pásové) spektrum, a navzdory tomu naše oko vnímá jejich barvu jako bílou. (Toto souvisí s fyziologií barevného vidění lidského oka.) Takovými zdroji jsou například zářivky (úsporné žárovky) nebo LCD displeje a monitory. Jiné vlastnosti světla, hlavně jeho přímočaré šíření a odraz, je možné naopak názorněji vysvětlit pomocí korpuskulární (částicové) teorie světla. Princip přímočarého šíření světla je při představě proudu světelných částic úplně zřejmý. Stejně tak je zřejmý také odraz světla od rozhraní (typicky od zrcadla), kdy lze odraz demonstrovat mechanicky jako dokonale pružný ráz, při kterém se zachovává energie i hybnost částic. Světlo se odráží od zrcadlových ploch podle stejných pravidel jako biliardová koule od mantinelů biliardového stolu.

Vlastnosti světla

Světlo při svém šíření přenáší energii. Tento fakt vyplývá z korpuskulární (částicové) teorie světla, kdy při mechanistickém pojetí má každá světelná částice svou rychlost, hmotnost, a tedy taktéž kinetickou energii a hybnost. Zde je však nutné upozornit na skutečnost, že fotony nemohou existovat v klidu, nemá smysl u nich hovořit o klidové hmotnosti. Pohybují se neustále rychlostí světla, mají přesně definovanou kvantovanou energii (která souvisí s jejich vlnovou délkou), a proto mají i hmotnost, jak vyplývá ze speciální teorie relativity. Stejně tak je ale možné přenos energie šířící se světlem vyložit pomocí vlnové teorie světla. Světlo je podle Maxwella jen jedním z druhů elektromagnetického vlnění a každé elektromagnetické vlnění při svém pohybu prostorem přenáší energii. Na šíření energie vlněním je opět možné zjednodušeně nahlížet mechanisticky. Stejně tak mechanické vlnění přenáší prostorem, ve kterém se šíří energii, jako je vzruch odevzdávaný z jednoho kmitajícího bodu do dalšího.

Když budeme zkoumat energii vyzářenou rozžhaveným zdrojem světla (Slunce, žárovky), je potřeba si uvědomit, že takové zdroje nevyzařují jen světlo v uvedeném úzkém rozmezí vlnových délek 400 až 760 nm, ale vyzařují na jedné straně také infračervené tepelné záření a na straně druhé vyzařují v  určité míře i ultrafialové záření. Například běžná žárovka vyzařuje 90 – 95 % energie v podobě tepelného záření a jen zbytek jako světelné záření. Oproti tomu studené zdroje světla (např. LED) vyzařují úplnou většinu energie v podobě viditelného světla.

Absolutně černé těleso

Pro potřebu přesného výpočtu energie vyzařované či pohlcované rozžhaveným zdrojem elektromagnetického záření se zavádí pojem absolutně černé těleso. Jde o ideální těleso, které úplně pohlcuje záření všech vlnových délek dopadajících na jeho povrch. Veškerá reálná tělesa oproti tomu část energie záření dopadajícího na jejich povrch odrážejí zpět, a proto vždy pohlcují méně energie než absolutně černé těleso. Tělesa s bílým nebo zrcadlovým povrchem pohlcují energii nejméně. Absolutně černé těleso je taktéž ideální zářič, ze všech možných těles vyzařuje při dané teplotě nejvíc energie. Stejně tak bílá tělesa nebo tělesa se zrcadlovým povrchem vyzařují málo energie (kovové lesklé termofolie záchranářů).