Lys

For andre tydingar av oppslagsordet, sjå Lys (fleirtyding).

Synleg lys (ofte berre kalla lys eller ljos) er elektromagnetisk stråling som er synleg for det menneskelege auga og er ansvarleg for det vi sansar som syn. Synleg lys er ein grunnleggjande faktor i vera til mennesket og andre organismar. Tilhøva mennesket har til ljoset har alltid hatt både praktiske, kjenslemessige og intuitive aspekt som uløyseleg hengjer saman, og det er få eller ingen andre ord som har så djupe og allsidig forgreina røter i kulturhistoria.

Lysstrålar gjennom eit vindauge.

Synleg lys har ei bølgjelengd i området frå kring 380 nanometer til kring 740 nm – mellom usynleg infraraudt lys, med lengre bølgjelengder og usynleg ultrafiolett lys, med kortare bølgjelengder.

Dei viktigaste eigenskapane til synleg lys er intensitet, forplantingsretning, frekvens eller bølgjelengd og polarisering. Lysfarten i vakuum er 299 792 458 meter per sekund og er ein av dei fundamentale konstantane i naturen. I daglegtalen seier ein oftast at lyset har ein fart på 300 000 km i sekundet. Både synleg lys og all anna elektromagnetisk stråling flyttar seg alltid med denne farten i vakuum.

Som alle former for elektromagnetisk stråling, vert synleg lys emittert og absorbert i små «pakkar» kalla foton, og har eigenskapar som både bølgjer og partiklar. Denne eigenskapen vert kalla bølgje-partikkel-dualiteten. Studiet av lys vert kalla optikk og er eit viktig forskingsområde i moderne fysikk.

I fysikk kan stundom «lys» syne til elektromagnetisk stråling med alle slags bølgjelengder, same om det er synleg eller ikkje. Denne artikkelen fokuserer på synleg lys. For meir generell handsaming, sjå elektromagnetisk stråling.

Lysfarten

For meir om dette emnet, sjå lysfarten.

Lysfarten i vakuum er definert til å vere nøyaktig 299 792 458 m/s. Den faste verdien av lysfarten i SI-einingar kjem av at meteren no er definert i høve til lysfarten. Ein trur at alle former for elektromagnetisk stråling flyttar seg med nøyaktig denne farten i vakuum.

Mange fysikarar har prøvd å måle lysfarten gjennom historia. Galileo prøvde å måle lysfarten på 1600-talet. Eit tidleg eksperiment for å måle lysfarten vart utført av Ole Rømer, ein dansk fysikar, i 1676. Ved hjelp av eit teleskop, observerte Rømer rørslene til Jupiter og ein av månane til planeten, Io. Han fann avvik i den tilsynelatande perioden til banen til Io, og rekna seg fram til at lyset brukte kring 22 minuttar på å passere ei lengd som svara til diameteren av banen til jorda rundt sola. Kor stor denne diameteren er, var derimot ikkje kjend på den tida. Om Rømer hadde kjend diameteren til jordbanen, så hadde han kome fram til at farten var 227 000 000 m/s.

Ei anna, meir nøyaktig måling av lysfarten vart gjort i Europa av Hippolyte Fizeau i 1849. Fizeau retta ein lysstråle mot ein spegel fleire kilometer unna. Eit roterande tannhjul vart plassert i lysstrålen, slik at lyset passerte tannhjulet både på veg til spegelen og attende igjen. Fizeau fann ut at når hjulet roterte med ein viss snøggleik, så passerte stråla eit hakk i hjulet på veg ut, og det neste hakket i hjulet på veg attende. Sidan han kjende avstanden til spegelen, kor mange tenner det var på tannhjulet og kor raskt tannhjulet roterte, kunne Fizeau rekne seg fram til ein lysfart på 313 000 000 m/s.

Léon Foucault nytta eit eksperiment med roterande speglar for å kome fram til verdien 298 000 000 m/s i 1862. Albert A. Michelson utførte eksperiment for å finne lysfarten frå 1877 fram til han døydde i 1931. Han betra metodane til Foucault i 1926 og nytta roterande speglar til å måle tida det tok lyset å gjere ei rundreise frå Mt. Wilson til Mt. San Antonio i California. Den nøyaktige målinga gav han resultatet 299 796 000 m/s.

Den effektive lysfarten i forskjellige gjennomsiktige stoff er mindre enn i vakuum. Til dømes er lysfarten i vatn kring 3/4 av lysfarten i vakuum. At lyset verkar å gå langsamare kjem ikkje av at lyspartiklane faktisk går treigare, men at dei vert absorbert og reemittert frå ladde partiklar i stoffet.

Eit ekstremt døme på denne prosessen var då to forskjellige grupper klarte å få lyset til å stå «heilt i ro» ved å la det gå gjennom eit Bose-Einstein-kondensat av grunnstoffet rubidium. Den eine gruppa var frå Harvard University og Rowland Institute for Science i Cambridge i Massachusetts, og den andre frå Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, som òg ligg i Cambridge. Den populære skildringa om at lyset vart «stoppa» i desse eksperimenta syner berre til at lyset vart lagra i eksiterte atom, så reemittert ved eit vilkårleg tidspunkt seinare. I tida lyset hadde «stoppa» kunne det ikkje lenger kallast lys.

Elektromagnetisk spektrum og synleg lys

For meir om dette emnet, sjå elektromagnetisk spektrum.

Elektromagnetisk spektrum med lys utheva.

Generelt vert EM-stråling eller EMR (frå engelsk electromagnetic radiation der «radiation» eller «stråling» utelukkar statisk elektrisitet og magnetisme og nære felt) delt inn etter bølgjelengd i radio, mikrobølgje, infraraud, det synleg området som me oppfattar som lys, ultrafiolett, røntgenstråling og gammastråling.

Korleis EMR oppfører seg er avhengig av bølgjelengda. Høgare frekvensar har kortare bølgjelengder og lågare frekvensar har lengre bølgjelengder. Når EMR vekselverkar med enkle atom og molekyl er oppførselen avhengig av kor mykje energi kvart kvant fører med seg.

EMR i synleg lys består av kvant (kalla foton) som er i den lågare enden av energiar som har høve til å få molekyl til å bli elektrisk eksitert, noko som fører til endringar i bindingane eller kjemien i molekylet. I den nedre enden av det synleg lysspektrumet vert EMR usynleg for menneskeauget (infraraud), fordi fotona ikkje lenger har nok individuell energi til å skape ei varig molekylær endring i molekyla i netthinna. Det er desse endringane som utløyser det me sansar som syn.

Det finst dyr som er sensitive til forskjellige typar infraraudt lys, men ikkje på den måten at dei absorberer foton. Infraraud sansing hos slangar baserer seg på ein slag naturleg termografi, der ørsmå pakkar med cellulært vatn vert varma opp av den infraraude strålinga. EMR fører i dette tilfellet til vibrasjonar og oppvarmingseffektar i molekyla, og det slik levande dyr oppfattar den infraraude strålinga.

I andre enden av skalaen går synleg lys over i ultrafiolett lys, som òg er usynleg for mennesket, hovudsakleg fordi det vert absorbert av vevet i auga og særleg i linsa. I tillegg klarar ikkje stavane og tappane på baksida av menneskeauget å fange opp dei korte ultrafiolette bølgjelengdene, og er faktisk øydelagde av ultrafiolett stråling. Mange dyr med auge som ikkje krev linser (som insekt og reker) klarar å sanse ultrafiolett direkte, som synleg lys, via absorpsjon av foton, som er mykje likt måten mennesket sansar synleg lys på.

Optikk

For meir om dette emnet, sjå optikk.

Studiet av lys og vekselverknaden mellom lys og materie vert kalla optikk. Observasjon og studie av optiske fenomen som regnbogar og polarlys gjev oss mange peikepinnar på korleis lyset fungerer.

Lysbryting

For meir om dette emnet, sjå lysbryting.

Eit døme på lysbryting. Sugerøyret ser bøygd ut, fordi lyset vert brote når det går frå væska til lufta.

Ei sky opplyst av sollys.

Lysbryting er bøying av lysstrålar når det passerer gjennom ei flate mellom to gjennomsiktige stoff. Dette er skildra av Snell-lova:

$n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}\ .$

der $\theta _{1}$ er vinkelen mellom strålen og flatenormalen i det første mediet, $\theta _{2}$ er vinkelen mellom strålen og flatenormalen i det andre mediet, og n₁ og n₂ er brytingsindeksane, n = 1 i vakuum og n > 1 i gjennomsiktige stoff.

Når ein lysstråle kryssar grenseflata mellom eit vakuum og eit anna medium, eller mellom to forskjellige medium, endrar bølgjelengda til lyset seg, men frekvensen er framleis den same. Om lysstrålen ikkje er ortogonal (eller normal) på grenseflata, fører endringa i bølgjelengda til at lystrålen endrar retning. Denne endringa vert kalla lysbryting eller refraksjon.

Linser har god brytingskvalitet og vert ofte nytta til å manipulere lys, slik at ein kan endre den tilsynelatande storleiken til biletet. Forstørringsglas, briller, kontaktlinser, mikroskop og refraktorar er alle døme på slik manipulering.

Lyskjelder

Det finst mange lyskjelder. Dei vanlegaste lyskjeldene er varmebaserte. Ein lekam ved ein gjeven temperatur sender ut eit karakteristisk spektrum av svartlekamstråling. Ei enkel varmekjelde som sollys, der strålinga kjem frå kromosfæren til sola med ein temperatur på kring 6000 Kelvin, har størst energi i den synlege regionen av det elektromagnetiske spekteret når det er plotta i bølgjelengder og kring 44 % av solstrålingsenergien når bakken som synleg lys. Eit anna døme er glødelys, der berre 10 % av energien vert send ut som synleg lys og resten som infraraudt, som altså er varmestråling. Ei vanleg termal lyskjelde gjennom historia er dei glødande partiklane i ein eld, men òg desse sender det meste av strålinga ut som infraraudt lys, og berre ein brøkdel i det synlege spekteret. Toppen i svartlekamspekteret er djupt i det infraraude, ved ei bølgjelengd på kring 10 mikrometer, for relativt kjølige lekamar som menneske. Etter kvart som temperaturen aukar, vert denne toppen flytta mot kortare bølgjelengder, og ein lekam vert først raudglødande, så kvit, og til slutt blåkvit før han går ut av det synlege spekteret og inn i det ultafiolette. Desse fargane kan ein sjå når eit metall vert varma opp til raudglødande og så til kvitglødande. Blåkvit varmestråling er sjeldan å sjå, utanom i stjerner. Dei reine blåfargane ein ser i ein gassflamme eller sveiseflamme er ikkje døme på dette, men heller utstråling frå særskile molekyla, hovudsakleg CH-radikalar.

Atom emitterer og absorberer lys ved karakteristiske energiar. Dette skapar emisjonslinjer i spekteret til kvart atom. Emisjonen kan skje spontant, som i lysdiodar, gassutladingslampar (som neonlampar og neonskilt, kvikksølvlampar osv.) og flammar (lys frå den varme gassen i seg sjølv, som til dømes at natrium gjev ein karakteristisk gulfarge i ein gassflamme). Emisjonen kan stimulerast, som i ein laser eller maser.

Oppbremsing av frie ladde partiklar, som eit elektron, kan skape synleg stråling: syklotronstråling, synkrotronstråling og bremsestråling er alle døme på dette. Partiklar som teoretisk sett kan flytte seg raskare gjennom eit medium enn lysfarten kan produsere synleg tsjerenkovstråling.

Somme kjemikaliar produserer synleg stråling via kjemoluminescens. I levande skapningar vert denne prosessen kalla bioluminescens. Til dømes skapar eldfloger lys på denne måten, og båtar som flyttar seg gjennom vatn kan forstyrre plankton slik at dei skapar moreld.

Somme stoff produserer lys når dei vert opplyst av meir energirik stråling, ein prosess kalla fluorescens. Somme stoff sender ut lys langsamt etter å ha vorte eksitert av meir energirik stråling. Dette vert kalla fosforescens.

Fosforescente stoff kan òg eksiterast ved å bombardere dei med subatomiske partiklar. Katodeluminescens er eit døme. Denne mekanisme vert nytta i katrodestrålerøyr fjernsynsapparat og dataskjermar.

Ein by opplyst av kunstig belysning.

Somme andre mekanismar kan produsere lys:

• Bioluminescens
• Tsjerenkovstrålign
• Elektroluminescens
• Funkling
• Sonoluminescens
• Triboluminescens

Når konseptet lys omfattar særs energirike foton (gammastråling) har ein i tillegg:

• Partikkel-antipartikkel-annihilasjon
• Radioaktiv nedbryting

Einingar og måling

For meir om dette emnet, sjå lysmåling og radiometri.

Lysmåling går føre seg med to hovudmetodar: radiometri går ut på måling av lyseffekten ved alle bølgjelengder, medan lysmåling eller fotometri måler lys med bølgjelengder vektlagt med omsyn til ein standardisert modell for korleis menneske oppfattar lyset. Lysmåling er til dømes nyttig til å kvantifisere belysning meint for menneske. SI-einingane for begge systema kan oppsummerast i dei følgjande tabellane:

Table 1. SI-einingar for radiometri

Storleik		Eining		Dimensjon	Merknad
Namn	Symbol	Namn	Symbol	Symbol
Strålingsenergi	Qe	joule	J	M⋅L2⋅T−2	energi
Strålingsfluks	Φe	watt	W	M⋅L2⋅T−3	strålingsenergi per tidseining, òg kalla strålingseffekt.
Spektraleffekt	Φeλ	watt per meter	W⋅m−1	M⋅L⋅T−3	strålingsfluks per bølgjelengd
Strålingsstyrke	Ie	watt per steradian	W⋅sr−1	M⋅L2⋅T−3	effekt per romvinkel-eining.
Spektralstyrke	Ieλ	watt per steradian per meter	W⋅sr−1⋅m−1	M⋅L⋅T−3	Strålingsstyrke per bølgjelengd
Radians	Le	watt per steradian per kvadratmeter	W⋅sr−1⋅m−2	M⋅T−3	effekt per romvinkeleining per projisert areal av strålingskjelda. forvirrande nok kalla «styrke» innan somme fagfelt
Spektralradians	Leλ eller Leν	watt per steradian per meter3 ellerbr/> watt per steradian per kvadratmeter per hertz	W⋅sr−1⋅m−3 eller W⋅sr−1⋅m−2⋅Hz−1	M⋅L−1⋅T−3 eller M⋅T−2	ofte målt i W⋅sr−1⋅m−2⋅nm−1 med overflateareal og anten bølgjelengd eller frekvens.
Irradians	Ee	watt per kvadratmeter	W⋅m−2	M⋅T−3	effekten inn mot ei flate, òg kalla innstrålingstettleik. stundom forvirrande nok kalla «intensitet»
Spektral irradians	Eeλ eller Eeν	watt per meter3 eller watt per kvardratmeter per hertz	W⋅m−3 eller W⋅m−2⋅Hz−1	M⋅L−1⋅T−3 eller M⋅T−2	ofte målt i W⋅m−2⋅nm−1 or 10−22W⋅m−2⋅Hz−1, kjend som solflukseininga.
Utstrålingstettleik / Strålingsemittans	Me	watt per kvadratmeter	W⋅m−2	M⋅T−3	effekten utstrålt frå ei flate
Spektral utstrålingstettleik / Spektral strålingsemittans	Meλ eller Meν	watt per meter3 eller watt per kvadratmeter per hertz	W⋅m−3 eller W⋅m−2⋅Hz−1	M⋅L−1⋅T−3 eller M⋅T−2	effekten utstrålt frå ei flate per bølgjelengd eller frekvens.
Radiositet	Je eller Jeλ	watt per kvadratmeter	W⋅m−2	M⋅T−3	emittert og reflektert effekt frå ei flate
Strålingseksponering	He	joule per kvadratmeter	J⋅m−2	M⋅T−2
Strålingsenergitettleik	ωe	joule per meter3	J⋅m−3	M⋅L−1⋅T−2
Sjå òg: SI • Radiometri • Lysmåling

Table 2. Einingar for lysmåling

Storleik	Eining (symbol)	Definisjon
Lysstyrke	candela (cd)	1 candela er lysstyrken i ein viss retning frå ei kjelde som sender ut monokromatisk stråling med frekvens 540 · 1012 hertz og med strålingsstyrke i den gjevne retning på 1/683 watt/steradian. Dette er grunneininga i SI-systemet
Lysfluks	lumen (lm = cd · sr)	1 lumen er lysfluksen eller lysstraumen i ein romvinkel på 1 steradian frå ei punktforma strålekjelde som stråler likt i alle retningar.
Lysmengd	lumensekund (lm · s)	Lysfluks multiplisert med tid
Illuminans	lux (lx = lm/m²)	Lysfluks mot ei flate dividert med arealet av flaten
Lyseksponering	luxsekund (lx · s)	Illuminans multiplisert med tid
Luminans	cd/m²	Lysstyrken frå eit flateelement sett frå ei særskild retning dividert med det tilsynelatande arealet til flatelementet.
Lyseksitans	lm/m²	Forholdet mellom lysfluksen frå eit flateelement og storleiken til flatelementet
Lysutbytte av ei lyskjelde	lumen/watt (lm/w)	Forholdet mellom lysfluksen frå ei lyskjelde og effekten av lyskjelda
Lysutbytte av stråling	lumen/watt (lm/w)	Forholdet mellom lysfluksen i ei stråle og energifluksen i strålen
Sjå òg: SI • Lysmåling • Radiometri

Lysmålingseiningane er forskjellige frå dei fleste systema baserte på fysiske einingar, fordi dei tek omsyn til korleis menneskeauga reagerer på lys. Tappane i auget består av tre typar som reagerer forskjellig over det synlege spekteret, og den totale effekten av desse er størst for ei bølgjelengd på kring 555 nm. Derfor vil to lyskjelder som produserer same intensitet (W/m²) av synleg lys, ikkje nødvendigvis oppfattast som like lyse. Einingane for lysmåling er utforma for å ta dette med i rekninga, og er derfor betre til å syne kor «lyst» lyset verkar enn den reine intensiteten. Dei er knytte til den reine effekten via ein storleik kalla lysutbytte, og vert nytta til å avgjere korleis ein kan oppnå best belysning for forskjellige oppgåver innandørs og utandørs. Belysning som vert målt med sensorar med fotoceller samsvarar ikkje nødvendigvis med oppfatninga til menneskeauget, og utan filter, som kan vere kostbare, har fotoceller og lyskjenslege kretsar (CCD) ein tendens til å reagere på noko infraraudt, ultrafiolett eller begge.

Lystrykk

For meir om dette emnet, sjå strålingstrykk.

Lys utøver eit fysisk trykk på ein lekam som blir belyst, eit fenomen ein kan avleie frå Maxwell-likningane, men som enklare kan forklarast av partikkeleigenskapen til lys: fotona treffer og overfører rørslemengda si. Lystrykket er lik effekten til lysstrålen dividert på c, lysfarten. På grunn av storleiken til c kan ein sjå bort frå effekten av lystrykket for daglegdagse lekamar. Til dømes utøver ein laserpeikar på 1 milliwatt ei kraft på om lag 3,3 piconewton på lekamen som blir opplyst. Det tyder at ein for å kunne løfte ein liten mynt med ein laserpeikarar på 1 mW, treng kring 30 milliardar av laserpeikarar. Men for system som er på nanometerskala, som NEMS, byrjar lystrykket å verte viktig, og ein kan utnytte lystrykket til å drive NEMS-mekanismar og det å skru av og på fysiske brytarar på nanometerskala i integrerte kretsar er i dag eit aktivt forskingsområde.

På større skala kan lystrykket få asteroidar til å rotere raskare, der sollyset verkar på den uregelmessige forma deira som vinden gjer på vengjene på ei vindmølle. Det vert i dag forska på om det er mogeleg å lage eit solsegl for å drive fram romskip i verdsrommet.

Sjølv om rørsla til Crookes radiometer opphavleg vart trudd å vere skapt av lystrykket, er denne tolkinga feil. Den karakteristiske Crookes-rotasjonen kjem av eit delvis vakuum. Dette må ikkje forvekslast med Nichols radiometer, der ei lita rørsle vert skapt av kraftmoment skapt direkte av lystrykket.

Historiske teoriar om lys

Antikken

På 400-talet fvt. postulerte Empedokles at alt bestod av dei fire elementa eld, luft, jord og vatn. Han trudde at Afrodite hadde skapt menneskeauga ut av dei fire elementa og at ho hadde sett ein eld som skein ut av auga slik at ein kunne sjå. Om det hadde vore slik, ville ein kunne sett like godt om natta som om dagen, så Empedokles postulerte ein vekselverknad mellom strålane frå auga og strålane frå kjelder som sola.

Kring 300 fvt. skreiv Evklid verket Optika, der han studerte eigenskapane til lys. Evklid postulerte at lys flyttar seg i rette linjer og han skildra lovene for refleksjon og studerte dei matematisk. Han sette spørsmålsteikn ved om syn verkeleg kom av ei stråle frå auga, for han spurt seg korleis det var mogeleg å sjå stjernene om natta så snart ein opna augo. Dette ville sjølvsagt ikkje vore noko problem om strålane frå auga flytta seg uendeleg raskt.

I 55 fvt. førte romaren Lucretius vidare ideane frå dei tidlege greske atomistane og skreiv:

«Lyset og varmen frå sola; desse består av ørsmå atom som når dei vert dytta av stad, ikkje taper tid på å fosse rett gjennom mellomrommet i lufta i same retninga som dei vart dytta i.» – Om naturen i universet

Sjølv om synet til Lucretius minna om seinare partikkelteoriar, vart det ikkje akseptert på den tida.

Klaudios Ptolemaios (ca. 100-talet) skreiv om lysbryting i boka si Optikk.

India i antikken

I det gamle India utvikla hinduskulane Samkhya og Vaisheshika teoriar om lys frå tidleg hundreår evt. I følgje Samkhya var lys ein av fire grunnleggande «små» element (tanmatra) som dei større elementa oppstod frå. Desse elementa vert ikkje omtalt som atomaktige og storleiken verkar å verte rekna som kontinuerleg.

Vaisheshika-skulen danna ein atomisk teori om korleis den fysiske verda er bygd opp ved hjelp av eter, rom og tid. Dei grunnleggande atoma vart rekna for å vere jord (prthivi), vatn (pani), eld (agni) og luft (vayu). Lysstrålar vart rekna for å vere straumar av raske tejas eller eld-atom. Lyspartiklane vart sagt å kunne endre seg avhengig av snøggleike og samansetnaden av tejas-atoma. Vishnu Purana refererer til sollys som «dei sju solstrålane».

Dei indiske buddhistane, som Dignāga på 400-talet og Dharmakirti på 600-talet utvikla ein type atomisme som er ein filosofi om røyndom der atomiske objekt er forbigåande glimt av lys eller energi. Dei såg på lys som ein atomisk lekam ekvivalent til energi.

Descartes

René Descartes (1596–1650) meinte at lys var ein mekanisk eigenskap ved ein lysande lekam, og forkasta «formene» til Ibn al-Haytham og Witelo i tillegg til «artane» til Bacon, Grosseteste og Kepler. I 1637 publiserte han ein teori om lysbryting der han feilaktig rekna at lys går raskare i eit tett medium enn eit mindre tett medium. Descartes kom fram til denne konklusjonen fordi lydbølgjer nettopp gjer dette. Sjølv om Descartes tok feil om den relative farten, hadde han rett i at lys oppfører seg som ei bølgje og i at lysbrytinga kjem av lysfarten er forskjellig i to forskjellige medium.

Descartes var ikkje den første til å nytte mekaniske analogiar, men fordi han tydeleg hevdar at lys ikkje berre er ein mekanisk eigenskap av den opplyste lekamen, men i tillegg til mediet som lyset forflyttar seg i, så vert lysteorien til Descartes rekna som starten på moderne fysisk optikk.

Partikkelteori

For meir om dette emnet, sjå korpuskel.

Pierre Gassendi.

Pierre Gassendi (1592–1655) var ein atomist som foreslo ein partikkelteori for lys, som vart publisert etter han var død i 1660-åra. Isaac Newton studerte tidleg verket til Gassendi, og føretrekte denne teorien føre teorien til Descartes. Han hevda i sin Hypothesis of Light frå 1675 at lys består av korpusklar (partiklar av stoff) som vert sendt ut i alle retningar frå ei kjelde. Eit av argumenta til Newton mot bølgjeeigenskapen til lys var at bølgjer var kjend å kunne flytte seg rundt hindringar, medan lys berre flytta seg i rette linjer. Han forklarte fenomentet med diffraksjon av lys (som hadde vorte observert av Francesco Grimaldi) ved å la lyspartiklar skape ei lokal bølgje i eteren.

Teorien til Newton kan nyttast til å føresjå refleksjon av lys, men kan berre forklare lysbryting ved å feilaktig tenke seg at lys vert akselerert når det går inn i eit tettare medium fordi gravitasjonskrafta då er større. Newton publiserte den endelege versjonen av teorien sin i Opticks i 1704. Det gode ryktet hans var med på å forsterke teorien om lys som partikkel og denne vart den dominerande teorien gjennom 1700-talet. Partikkelteorien førte til at Laplace hevda at ein lekam kunne bli så massiv at lyset ikkje kunne kome ut av lekamen. Med andre ord skildra han det ein i dag kallar eit svart hol. Laplace trekte derimot dette attende seinare, etter at ein bølgjeteori for lys tok over som den dominerande teorien. Som forklart tidlegare er verken partikkel- eller bølgjeteorien fullstendig korrekt.

Bølgjeteori

For å forklare fargar, utvikla Robert Hooke (1635-1703) ein «puls-teori» og samanlikna lysspreiing med spreiing av bølgjer i vatn i verket Micrographia ("Observation XI") frå 1665. I 1672 foreslo Hooke at vibrasjonar i lyset kunne vere vinkelrett på forplantningsretninga. Christiaan Huygens (1629-1695) utvikla ein matematisk bølgjeteori for lys i 1678 og publiserte denne i sin Treatise on light i 1690. Han foreslo at lys vart emittert i alle retningar som ei rekkje bølgjer i eit medium han kalla lysspreiande eter. Sidan bølgjer ikkje vert påverka av tyngdekrafta, vart det trudd at dei ville gå seinare i eit tettare medium enn eit mindre tett medium.

Thomas Young si teikning av to-spalte-eksperimentet som syner diffraksjon av lys. Eksperimentet til Young støtta teorien om at lys består av bølgjer.

Bølgjeteorien føresåg at lysbølgjer kunne interferere med kvarandre slik lydbølgjer gjer (som Thomas Young merka seg kring 1800), og at lys kunne polariserast, om det var ei tverrbølgje. Young synte ved hjelp av eit diffraksjonseksperiment at lys oppfører seg som bølgjer. Han foreslo òg at forskjellige fargar vart skapt av forskjellige bølgjelengder hos lys, og forklarte fargesyn ved hjelp av tre farge-reseptorar i auget.

Ein annan som støtta bølgjeteorien var Leonhard Euler. Han hevda i Nova theoria lucis et colorum (1746) at diffraksjon vart enklare å forklare med ein bølgjeteori.

Seinare kom Augustin-Jean Fresnel på eiga hand fram til sin eigen bølgjeteori for lys, og presenterte denne for Académie des Sciences i 1817. Simeon Denis Poisson la til eit overtydande argument til det matematiske arbeidet til Fresnel til fordel for bølgjeteorien, noko som var medverkande til at ein gjekk bort frå korpuskel-teorien til Newton. I 1821 klarte Fresnel med hjelp av matematiske metodar å vise at polarisasjon berre kan forklarast av bølgjeteorien for lys og berre om lys flyttar seg som tverrbølgjer, heilt utan langsgåande vibrasjonar.

Svakheita med bølgjeteorien var at lysbølgjer, som lydbølgjer, ville trengt eit medium å forplante seg i. Det vart skapt stor tvil om det hypotetiske stoffet lysførande eter, som Huygens foreslo i 1678, i det heile eksisterte seint på 1800-talet med Michelson-Morley-eksperimentet.

Korpuskelteorien til Newton impliserte at lys ville flytte seg raskare i eit tettare medium, medan bølgjeteorien til Huygens og andre impliserte det motsette. På den tida kunne ein ikkje måle lysfarten nøyaktig nok til å finne ut kva teori som var korrekt. Den første som gjorde nøyaktige nok målingar var Léon Foucault, i 1850. Resultatet hans støtta bølgjeteorien, og den klassiske partikkelteorien vart skrinlagd, før han delvis vart henta fram att på 1900-talet.

Kvanteteori

I 1900 prøvde Max Planck å forklare svartlekamstråling og foreslo at sjølv om lys var bølgjer, kunne desse bølgjene berre ta imot eller miste energi i endelege mengder etter kva frekvens dei hadde. Planck kalla desse «klumpane» av lysenergi for «kvantar» (frå det latinske ordet quanta som tyder «kor mykje»). I 1905 nytta Albert Einstein ideen om lyskvant til å forklare den fotoelektriske effekten og foreslo at desse lyskvanta faktisk eksisterte som partiklar. I 1923 viste Arthur Holly Compton at endringa av bølgjelengda ein ser når røntgenstråling av låg intensitet vert spreidd av elektron (såkalla Comptonspreiing) berre kan forklarast om røntgenstrålene består av partiklar, og det kan ikkje forklarast ved hjelp av ein bølgjeteori. I 1926 kalla Gilbert N. Lewis desse lyspartiklane for foton.

Etter kvart har moderne kvantemekanikk utvikla seg der lys vert skildra både som partiklar og bølgjer på den eine sida, og på den andre sidan som verken bølgjer eller partiklar. I staden for ser moderne fysikk på lys som noko som det matematisk høver seg å skildre som anten bølgjer eller partiklar, men at det i røynda er noko ein ikkje fullt ut kan forestille seg. Når fysikarar har undersøkt radiobølgjer og røntgenstråling, har dei merka seg at elektromagnetisk stråling oppfører seg meir som klassiske bølgjer ved låge frekvensar, men meir som klassiske partiklar ved høgare frekvensar, men at strålinga aldri heilt mistar eigenskapane til nokon av dei. Synleg lys, som tar opp den midtre delen av frekvensområdet, kan lett visast i eksperiment å ha både bølgje- og partikkeloppførsel, og stundom begge samstundes.

Elektromagnetisk teori som forklaring for alle typar synleg lys og all EM-stråling

For meir om dette emnet, sjå elektromagnetisk stråling.

Ei lineært polarisert lysbølgje, der tida står stille, som syner to svingande komponentar av lys. Eit elektrisk felt og eit magnetisk felt vinkelrett på kvar andre og til rørsleretninga (ei tverrbølgje).

I 1845 oppdaga Michael Faraday at polarisasjonsplanet for lineært polarisert lys er rotert når lysstrålane flyttar seg langs retninga til eit magnetfelt når det ligg nær ein isolator, ein effekt som no vert kalla Faradayrotasjon. Dette var det første beviset på at lys var knytt til elektromagnetisme. I 1846 spekulerte han i om lys kunne vere ei form for forstyrring som forplanta seg langs magnetiske feltlinjer. Faraday foreslo i 1847 at lys var høgfrekvente elektromagnetiske vibrasjonar, som kunne forplante seg sjølv utan medium som eteren.

Arbeidet til Faraday inspirerte James Clerk Maxwell til å studere elektromagnetisk stråling og lys. Maxwell oppdaga at sjølvforplantande elektromagnetiske bølgjer flytta seg gjennom rommet med konstant fart, som synte seg å vere lik lysfarten. Ut frå dette konkluderte Maxwell med at lys var ei form for elektromagnetisk stråling. Han publiserte dette resultatet i 1862 i On Physical Lines of Force. I 1873 publiserte han A Treatise on Electricity and Magnetism, som inneheld den fulle matematiske skildringa av korleis elektriske og magnetiske felt oppfører seg. Dette vert framleis kalla Maxwell-likningane. Kort tid etter stadfesta Heinrich Hertz teorien til Maxwell eksperimentelt med å skape og påvise radiobølgjer i laboratoriet, og demonstrerte at desse bølgjene oppførte seg heilt likt synleg lys, med eigenskapar som refleksjon, refraksjon, diffraksjon og interferens. Teorien til Maxwell og eksperimenta til Hertz førte direkte til utviklinga av moderne radio, radar, fjernsyn, elektromagnetisk avbilding og trådlaus kommunikasjon.

I kvanteteori vert foton rekna som bølgjepakkar av bølgjene skildra i den klassiske teorien til Maxwell. Kvanteteorien måtte til for å forklare effektar for synleg lys som den klassiske teorien til Maxwell ikkje kunne forklare (som spektrallinjer).

Sjå òg

• Billys
• Ballistisk foton
• Fargetemperatur
• Elektromagnetisk spektrun
• Fermat-prinsippet
• Huygens-prinsippet
• International Commission on Illumination
• Journal of Luminescence
• Lysstråle
• Lysforureining
• Lysterapi
• Belysning
• Luminescence: The Journal of Biological and Chemical Luminescence
• Lysmåling
• Foton
• Spektroskopi
• Bølgje-partikkel-dualitet

Kjelder

• Delar av denne artikkelen bygger på «Light» frå Wikipedia på engelsk, den 18. februar 2013.

Bakgrunnsstoff

Wikimedia Commons har multimedia som gjeld: Lys

Wikifrasar har ei sitatsamling som gjeld: Lys