Современная физическая оптика рассматривает свет как разновидность электромагнитных волн, воспринимаемых глазом человека. Другими словами можно сказать, что свет - это видимое электромагнитное излучение.
Видимый свет
Как известно, электромагнитные волны различаются частотой и длиной волны. И в зависимости от этих значений электромагнитное излучение делят по частотным диапазонам.
Вне физической оптики к понятию «свет» относят также электромагнитные волны, не видимые глазом человека, в инфракрасном диапазоне с длиной волны 1 мм - 780 нм и частотой 300 ГГц - 429 ТГц и в ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 380 - 10 нм и частотой 7,5·10 14 Гц - 3·10 16 Гц.
Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения называют оптической областью спектра . Верхняя граница оптического диапазона является длинноволновой границей инфракрасного излучения, а нижняя - коротковолновой границей ультрафиолетового излучения. Таким образом, диапазон оптического излучения - от 1 мм до 10 нм.
Как же возникает свет? Оказывается, он образуется в результате процессов, происходящих внутри атомов при изменении их состояния. При этом возникает поток частиц, называемых фотонами. Они не имеют массы, но обладают энергией.
Получается, что свет одновременно обладает свойствами электромагнитной волны и свойствами дискретных частиц - фотонов.
Источники света
Любое тело, излучающее электромагнитные волны с частотой, расположенной в диапазоне видимого света, можно назвать источником света. Все источники света делятся на естественные, созданные самой природой, и искусственные, созданные людьми.
Самый важный естественный источник света на Земле - это, конечно же, Солнце. Оно даёт нам не только свет, но и тепло. Благодаря энергии солнечного света на нашей планете существует жизнь. Свет излучают Луна, звёзды, кометы и другие космические тела. Источниками естественного света могут быть не только тела, но и природные явления. Во время грозы мы видим, каким мощным светом озаряет всё вокруг вспышка молнии. Полярные сияния, светящиеся живые организмы, минералы и др. - это тоже природные источники света.
Самым первым и самым древним искусственным источником света можно назвать огонь костра. Позднее люди научились использовать другие виды топлива и создавать переносные источники света: свечи, факелы, масляные лампы, газовые фонари и др. Все эти источники были основаны на горении и вместе со светом выделяли большое количество тепла.
С изобретением электричества появились электрические лампочки, до сих пор использующиеся людьми в качестве источников света.
Геометрическая оптика
Распространение света в прозрачной среде, его отражение от зеркально-отражающихся поверхностей, преломление на границе двух прозрачных сред происходит по определённым законам, изучением которых занимается геометрическая оптика.
Для изучения различных световых явлений в геометрической оптике применяются такие понятия, как точечный источник света и световой луч.
Основное понятие геометрической оптики - световой луч .
Обычная лампа распространяет свет равномерно во все стороны. Закроем эту лампу непрозрачным материалом таким образом, чтобы свет, излучаемый ею, мог проходить лишь в небольшое узкое отверстие. Через него пойдёт узкий световой поток, направленный вдоль прямой линии. Эта линия, вдоль которой распространяется световой пучок, называется световым лучом. Направление этого луча не зависит от его поперечных размеров.
Свечи, фонари, лампы и другие источники света имеют довольно большие размеры по сравнению с расстоянием, на которое распространяется их свет. Их называют протяжёнными источниками света . Точечным источником света считается такой источник, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием, до которого доходит этот свет. Например, космическая звезда, имеющая на самом деле огромные размеры, может считаться точечным источником света, так как расстояние, на которое этот свет распространяется, огромно по сравнению с размерами самой звезды.
Рассмотрим основные законы геометрической оптики.
Закон прямолинейного распространения света
В прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно. Доказательством этого закона служит опыт, в котором свет от точечного источника проходит через небольшое отверстие в экране. В результате образуется узкий световой пучок, а в плоскости, расположенной за экраном параллельно ему, появляется правильный световой круг с центром на прямой, вдоль которой свет распространяется.
Разместим между источником света и экраном небольшой предмет. На экране мы увидим тень этого предмета. Тень - это область, куда не попадает световой луч. Её появление объясняется прямолинейным распространением света. Если источник света точечный, то образуется только тень. Если же его размеры довольно велики по сравнению с расстоянием до предмета, то создаются тень и полутень. Ведь в этом случае световые лучи исходят от каждой точки источника. Некоторые из них, попадая в область тени, подсвечивают её края, и тем самым создают полутень - область, в которую световые лучи попадают частично.
Закон прямолинейного распространения объясняет природу солнечного и лунного затмений. Солнечное затмение происходит, когда Луна располагается между Солнцем и Землёй, и тень от Луны падает на Землю.
Закон прямолинейного распространения света использовали ещё древние греки при установке колонн. Если колонны расположить строго по прямой линии, то самая ближайшая из них зрительно закроет собой все остальные.
Закон отражения света
Если на пути светового луча встречается отражающая поверхность, то световой луч меняет своё направление. Падающий и отражённый лучи и нормаль (перпендикуляр) к отражающей поверхности, восстановленная в точке падения, лежат в одной плоскости. Угол между лучами делится этой нормалью на две равные части. Наиболее распространённая формулировка закона отражения: «Угол падения равен углу отражения ». Но это определение не указывает направление отражённого луча. Между тем отражённый луч пойдёт в направлении, обратном падающему лучу.
Если размеры неровностей поверхности меньше длины световой волны, то лучи, падающие параллельным потоком, отразятся зеркально и также пойдут параллельными потоками.
Если же размеры неровностей превышают длину волны, то узкий пучок будет рассеиваться, и отражённые лучи пойдут по разным направлениям. Такое отражение называют диффузным , или рассеянным . Но, несмотря на беспорядочное рассеивание, закон отражения выполняется и в этом случае. Для любого луча угол падения и угол отражения будут равны.
Закон преломления света
Опустим карандаш в чашку с водой. Зрительно нам кажется, что он словно переломился надвое на поверхности воды. На самом деле с карандашом ничего не произошло. Причина в том, что луч света падает на поверхность воды под одним углом, а уходит вглубь под другим. Из-за этого искажаются размеры и расположение физических тел.
Изменение направления светового луча на границе раздела двух прозрачных для световых волн сред называют преломлением света.
Закон, описывающий преломление световых волн, называется законом Снеллиуса (Снелля или Снелля) по имени его автора - голландского математика Виллеброрда Снеллиуса, открывшего его в 1621 г.
Согласно этому закону угол падения света на поверхность раздела и угол преломления связаны отношением:
n 1 sinƟ 1 = n 2 sinƟ 2 ,
или sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2 = n 2 / n 1 ,
где n 1 - показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела;
Ɵ 1 - угол между падающим на поверхность раздела световым лучом и нормалью к этой поверхностью;
n 2 - показатель преломления среды, в которую попадает свет после границы раздела;
Ɵ 2 - угол между прошедшим поверхность раздела лучом и нормалью к этой поверхности.
Показатель преломления среды - это отношение скорости света в вакууме к его скорости в данной среде:
n = c/v
Чем больше он отличается от единицы, тем бóльшим будет угол отклонения светового луча при переходе из вакуума в среду.
Отношение n 2 / n 1 называют относительным показателем преломления .
Луч света, входящий в более плотную среду, образует с нормалью к этой поверхности меньший угол, то есть преломляется вниз. Но в реальности кажется, что этот угол, наоборот, бóльший, чем угол падения. В результате этого мы наблюдаем искажение размеров, формы и расположения предметов. Предметы, находящиеся в воде, кажутся нам бóльшими, чем они есть на самом деле, и расположенными выше. Так, купальщики часто ошибаются, оценивая глубину водоёма. Они видят дно приподнятым, а глубина кажется им меньшей.
Из-за преломления солнечного света в атмосфере мы наблюдает восход Солнца немного раньше, а закат немного позже, чем эти явления происходили бы, если бы атмосферы не было.
На основе явления преломления построены объективы фото- и кинокамер, микроскопов, телескопов, биноклей и других оптических приборов, в составе которых есть оптические линзы или призмы.
При переходе света из более плотной среды в менее плотную (например, из воды в воздух) можно наблюдать полное внутреннее отражение светового луча . Оно возникает, когда угол падения равен некоторому значению, называемому предельным углом полного внутреннего отражения . При этом падающие лучи полностью отражаются от поверхности раздела. Преломлённые лучи исчезают совсем.
Это явление используют в волоконных светодиодах, которые изготавливают из оптически прозрачного материала. Они представляют собой очень тонкие нити. Свет, попадающий в них, полностью отражается от внутренних боковых поверхностей и распространяется на большие расстояния.
Геометрическая оптика рассматривает свойства света без учёта его волновой теории и квантовых явлений. Конечно, точно описывать оптические явления она не может. Но так как её законы намного проще по сравнению с обобщающими волновыми законами, то её широко используют при расчёте оптических систем.
Одной из характеристик света является его цвет , который для монохроматического излучения определяется длиной волны, а для сложного излучения - его спектральным составом.
Свет может распространяться даже в отсутствие вещества, то есть в вакууме . При этом наличие вещества влияет на скорость распространения света.
Каждой энергетической величине соответствует аналог – световая фотометрическая величина. Световые величины отличаются от энергетических тем, что оценивают свет по его способности вызывать у человека зрительные ощущения. Световыми аналогами перечисленных выше энергетических величин являются световая энергия , световой поток , сила света , яркость , светимость и освещённость .
Учёт световыми величинами зависимости зрительных ощущений от длины волны света приводит к тому, что при одних и тех же значениях, например, энергии, перенесённой зелёным и фиолетовым светом, световая энергия, перенесённая в первом случае, будет существенно выше, чем во втором. Такой результат находится в полном согласии с тем, что чувствительность человеческого глаза к зелёному свету выше, чем к фиолетовому.
Скорость света
Скорость света в вакууме определяется в точности 299792458 м/с (около 300 000 км в секунду). Фиксированное значение скорости света в СИ связано с тем, что метр в настоящее время определяется в терминах скорости света. Все виды электромагнитного излучения, как полагают двигаются с точно такой же скоростью в вакууме.
Различные физики пытались измерить скорость света на протяжении всей истории. Галилей пытался измерить скорость света в семнадцатом веке. Ранний эксперимент по измерению скорости света был проведен Оле Рёмером , датским физиком, в 1676 году. С помощью телескопа Рёмер наблюдал движение Юпитера и одной из его лун Ио. Отмечая различия в очевидной период орбиты Ио, он подсчитал, что свету требуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли. Тем не менее, её размер не был известен в то время. Если бы Рёмер знал диаметр орбиты Земли, он бы получил значение скорости, равное 227000000 м/с.
Другой, более точный способ, измерения скорости света выполнил в Европе Ипполит Физо в 1849 году. Физо направлен луч света в зеркало на расстоянии нескольких километров. Вращающееся зубчатое колесо было помещено на пути светового луча, который путешествовал от источника к зеркалу и затем возвращаося к своему источнику. Физо обнаружил, что при определенной скорости вращения, луч будет проходить через один пробел в колесе на пути и следующий разрыв на обратном пути. Зная расстояние до зеркала, число зубьев на колесе, и скорость вращения, Физо удалось вычислить скорость света 313000000 м/с.
Леон Фуко использовал эксперимент, который использовал вращающееся зеркало, чтобы получить значение 298000000 м/с в 1862 году. Альберт А. Майкельсон проводил эксперименты на определение скорости света с 1877 г. до своей смерти в 1931 году. Он улучшил метод Фуко в 1926 году с использованием усовершенствованных вращающихся зеркал для измерения времени которое потребовалось свету, чтобы попутешествовать с горы Уилсон до горы Сан - Антонио в Калифорнии. Точные измерения дали скоростью 299796000 м/с.
Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, содержащих обычную материю, меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет около 3/4 того, что в вакууме. Тем не менее, замедление процессов в веществе, как полагают, происходит не от фактического замедления частицы света, а от их поглощения и переизлучения заряженными частиц в веществе.
Как крайний пример замедления света, можно сказать, что двум независимым группам физиков удалось "полностью остановить" свет, пропуская ее через конденсат Бозе-Эйнштейна на основе рубидия, Тем не менее слово "остановить" в этих экспериментах относится только к свету, хранящемуся в возбужденных состояниях атомов, а затем повторно излучается в произвольное более позднее время, как вынужденное вторым лазерным импульсом излучение. Во времена, когда свет "остановился", он перестал быть светом.
Оптические свойства света
Изучение света и взаимодействия света и материи называют оптикой. Наблюдение и изучение оптических явлений, таких как радуга и северное сияние позволяют пролить свет на природу света.
Преломление
Пример преломления света. Соломка кажется изогнутой, из-за преломления света, поскольку это входит в жидкость из воздуха.
Преломлением света называется изменение направления распространения света (световых лучей) при прохождении через границу раздела двух различных прозрачных сред. Оно описывается законом Снеллиуса :
где - угол между лучом и нормалью к поверхности в первой среде, - угол между лучом и нормалью к поверхности во второй среде,а и – показатели преломления первой и второй среды соответственно. При этом для вакуума и в случае прозрачных сред.
Когда луч света пересекает границу между вакуумом и другой средой, или между двумя различными средами, длина волны света изменяется, но частота остается неизменной. Если луч света не является ортогональным (или, скорее, нормальным) к границе, изменение длины волны приводит к изменению направления луча. Такое изменение направления и является преломлением света.
Преломление света линзами часто используется для такого управления светом, при котором изменяется видимый размер изображения, как например в лупах , очках , контактных линзах, микроскопах и телескопах.
Источники света
Свет создаётся во многих физических процессах, в которых участвуют заряженные частицы. Наиболее важным является тепловое излучение , имеющее непрерывный спектр с максимумом, зависящим от температуры источника. В частности, излучение Солнца близко к тепловому излучению абсолютно чёрного тела , нагретого до примерно 6000 К , причём около 40 % солнечного излучения лежит в видимом диапазоне, а максимум распределения мощности по спектру находится вблизи 550 нм (зелёный цвет). Другие процессы, являющиеся источниками света:
- переходы в электронных оболочках атомов и молекул с одного уровня на другой (эти процессы дают линейчатый спектр и включают в себя как спонтанное излучение - в газоразрядных лампах, светодиодах и т. п. - так и вынужденное излучение в лазерах);
- процессы, связанные с ускорением и торможением заряженных частиц (синхротронное излучение , циклотронное излучение , тормозное излучение);
- черенковское излучение при движении заряженной частицы со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде;
- различные виды люминесценции :
- хемилюминесценция (в живых организмах она носит название биолюминесценция)
- сцинтилляция
В прикладных науках важна точная характеристика спектра . Особенно важны следующие типы источников:
- Источник А
- Источник В
- Источник С
- Источник D 65
Лампы дневного света выпускают на разные световые диапазоны, в том числе:
- Лампы белого света (цветовая температура 3500 ),
- Лампы холодного белого света (цветовая температура 4300 К)
Радиометрия и световые измерения
К одним из наиболее важных и востребованных наукой и практикой характеристик света, как и любого другого физического объекта, относятся энергетические характеристики. Измерением и изучением такого рода характеристик, выраженных в энергетических фотометрических величинах , занимается раздел фотометрии, называемый «радиометрия оптического излучения» . Таким образом, радиометрия изучает свет безотносительно к свойствам человеческого зрения.
С другой стороны, свет играет особую роль в жизни человека, поставляя ему бо́льшую часть необходимой для жизни информации об окружающем мире. Происходит это благодаря наличию у человека органов зрения – глаз. Отсюда вытекает необходимость измерения таких характеристик света, по которым можно было бы судить о его способности возбуждать зрительные ощущения. Упомянутые характеристики выражают в световых фотометрических величинах , а их измерения и исследования составляет предмет занятий другого раздела фотометрии - «световые измерения» .
Световые и энергетические величины связаны друг с другом с помощью относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения , имеющей смысл относительной спектральной чувствительности среднего человеческого глаза, адаптированного к дневному зрению . Для монохроматического излучения с длиной волны , соотношение, связывающее произвольную световую величину с соответствующей ей энергетической величиной , в СИ записывается в виде:
В общем случае, когда ограничений на распределение энергии излучения по спектру не накладывается, это соотношение приобретает вид:
Световые величины относятся к классу редуцированных фотометрических величин , к которому принадлежат и другие системы фотометрических величин. Однако, только световые величины узаконены в рамках СИ и только для них в СИ определены специальные единицы измерений.
Давление света
Свет оказывает физическое давление на объекты на своем пути - явление, которое не может быть выведено из уравнений Максвелла, но может быть легко объяснено в корпускулярной теории, когда фотоны соударяются с преградой и передают свой импульс. Давление света равно мощности светового пучка, поделённой на с, скорость света. Из-за величины с, эффект светового давления является незначительным для повседневных объектов. Например, одномилливатная лазерная указка создаёт давление около 3,3 пН. Объект, освещенный таким образом, можно было бы поднять, правда для монеты в 1 пенни на это потребуется около 30 млрд 1-мВт лазерных указок. Тем не менее, в нанометровом масштабе эффект светового давления является более значимым, и использование светового давления для управления механизмами и переключения нанометровых коммутаторов в интегральных схемах является активной областью исследований.
История теорий света в хронологическом порядке
Античные Греция и Рим
В начале 19 века опыты Томаса Юнга с дифракцией дали убедительные свидетельства в пользу волновой теории. Было открыто, что свет представляет собой поперечные волны и характеризуется поляризацией. Юнг высказал предположение, что разные цвета соответствуют различным длинам волны. В 1817 году свою волновую теорию света изложил в мемуаре для Академии наук Огюстен Френель . После создания теории электромагнетизма свет был идентифицирован, как электромагнитные волны. Победа волновой теории пошатнулась в конце 19 века, когда опыт Майкельсона-Морли не обнаружил эфира. Волны нуждаются в существовании среды, в которой они могли бы распространяться, однако тщательно спланированные эксперименты не подтвердили существование этой среды. Это привело к созданию Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности. Природа электромагнитных волн оказалась сложнее, чем просто распространение возмущений в веществе. Рассмотрение задачи о тепловом равновесии абсолютно черного тела со своим излучением Максом Планком привело к появлению идеи об излучении света порциями - световыми квантами, которые получили название фотонов. Анализ явления фотоэффекта Эйнштейном показал, что поглощение световой энергии тоже происходит квантами.
С развитием квантовой механики утвердилась идея Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме, по которой свет должен обладать одновременно волновыми свойствами, чем объясняется его способность к дифракции и интерференции, и корпускулярными свойствами, чем объясняется его поглощение и излучение.
Волновая и электромагнитная теории
Свет в специальной теории относительности
Квантовая теория
Корпускулярно-волновой дуализм
Квантовая электродинамика
Восприятие света глазом
Видеть окружающий мир мы можем только потому, что существует свет и человек способен его воспринимать. В свою очередь, восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение.
Сетчатка человеческого глаза имеет два типа светочувствительных клеток: палочки и колбочки . Палочки обладают высокой чувствительностью к свету и функционируют в условиях низкой освещённости, отвечая тем самым за ночное зрение . Однако, спектральная зависимость чувствительности у всех палочек одинакова, поэтому палочки не могут обеспечить способность различать цвета. Соответственно, изображение, получаемое с их помощью, бывает только чёрно-белым.
Колбочки имеют относительно низкую чувствительность к воздействию света и обусловливают механизм дневного зрения , действующий только при высоких уровнях освещённости. В то же время, в отличие от палочек, в сетчатке глаза человека имеется не один, а три типа колбочек, отличающихся друг от друга расположением максимумов их спектральных распределений чувствительности. Вследствие этого колбочки поставляют информацию не только об интенсивности света, но и о его спектральном составе. Благодаря такой информации у человека и возникают цветовые ощущения.
Спектральный состав света однозначно определяет его цвет, воспринимаемый человеком. Обратное утверждение, однако, неверно: один и тот же цвет может быть получен различными способами. В случае монохроматического света ситуация упрощается: соответствие между длиной волны света и его цветом становится взаимнооднозначной. Данные о таком соответствии представлены в таблице.
Таблица соответствия частот электромагнитного излучения и цветов
| Цвет | Диапазон длин волн, нм | Диапазон частот, ТГц | Диапазон энергии фотонов, эВ |
|---|---|---|---|
| Фиолетовый | 380-440 | 790-680 | 2,82-3,26 |
| Синий | 440-485 | 680-620 | 2,56-2,82 |
| Голубой | 485-500 | 620-600 | 2,48-2,56 |
| Зеленый | 500-565 | 600-530 | 2,19-2,48 |
| Желтый | 565-590 | 530-510 | 2,10-2,19 |
«И сказал Бог: «Да будет свет!», и стал свет». Всем известны эти слова из Библии и всем понятно: жизнь без него невозможна. Но что такое свет по своей природе? Из чего состоит он и какие имеет свойства? Что такое видимый и невидимый свет? Об этих и некоторых других вопросах поговорим в статье.
О роли света
Большинство информации обычно воспринимается человеком через глаза. Все разнообразие цветов и форм, которые свойственны материальному миру, открывается ему. А воспринимать через зрение он может лишь то, что отражает определенный, так называемый видимый свет. Источники света могут быть естественными, например солнце, или искусственные, созданные электричеством. Благодаря такому освещению стало возможным работать, отдыхать - словом, вести полноценный образ жизни в любое время суток.
Естественно, такой важный жизненный аспект занимал умы многих людей, живших в разные эпохи. Рассмотрим, что такое свет, под разными углами зрения, то есть с позиций различных теорий, которых придерживаются сегодня ученые мужи.
Свет: определение (физика)
Аристотель, задавшийся этим вопросом, считал свет определенным действием, которое распространялось в среде. Другого мнения придерживался философ из Древнего Рима, Лукреций Кар. Он был уверен, что все существующее в мире состоит из самых мелких частиц — атомов. И свет также имеет такое строение.
В семнадцатом веке эти взгляды легли в основу двух теорий:
- корпускулярной;
- волновой.
Сегодня известно, что все тела распространяют инфракрасный свет. Источники света, испуская инфракрасные лучи, имеют большую длину волны, но слабее чем красные.
Теплом является излучение инфракрасного спектра, исходящее от движущихся молекул. Чем выше их скорость, тем больше излучение, и такой объект становится теплее.
Ультрафиолет
Как только открыли инфракрасное излучение, Вильгельм Риттер, немецкий физик, начал изучать противоположную сторону спектра. Длина волны здесь оказалась меньше, чем у фиолетового цвета. Он заметил, как хлористое серебро чернело за фиолетом. И это происходило быстрее, чем действовала длина волны видимого света. Выяснилось, что такое излучение происходит тогда, когда менялись электроны на внешних атомных оболочках. Стекло способно поглощать ультрафиолет, поэтому при исследованиях применялись кварцевые линзы.
Излучение поглощается кожей человека и животного, а также верхними растительными тканями. Небольшие дозы ультрафиолета могут благоприятно сказаться на самочувствии, укрепляя иммунитет и создавая витамин D. Но большие дозы могут вызвать ожоги кожи и повредить глаза, а чересчур большие оказывают даже канцерогенное действие.
Применение ультрафиолета
Заключение
Если учитывать ничтожно малый спектр видимого света, становится понятным, что и оптический диапазон человеком изучен очень скудно. Одной из причин такого подхода является повышенный интерес людей к тому, что видно глазу.
Но из-за этого понимание остается на низком уровне. Весь космос пронизан электромагнитными излучениями. Чаще люди их не только не видят, но и не чувствуют. Но если энергия этих спектров увеличивается, то они могут вызывать недомогания и даже становятся смертельно опасными.
При изучении невидимого спектра становятся понятными некоторые, как их называют, мистические явления. Например, шаровые молнии. Бывает, что они, словно ниоткуда, появляются и внезапно исчезают. На самом деле просто осуществляется переход от невидимого диапазона в видимый и обратно.
Если использовать при проведении фотосъемок неба во время грозы разные камеры, то иногда получается запечатлеть переход плазмоидов, их появление в молниях и изменения, происходящие в самих молниях.
Вокруг нас совершенно неизведанный нами мир, который имеет вид, отличный от того, что мы привыкли видеть. Известное утверждение «Пока своими глазами не увижу, не поверю» давно потеряло свою актуальность. Радио, телевидение, сотовая связь и тому подобное давно доказали, что если мы чего-то не видим, то это совсем не значит, что этого не существует.
Когда-то в древности люди считали, что наша способность видеть обусловлена некими лучами, исходящими из глаз и как-бы «ощупывающими» поверхность предметов. Каким бы смешным сегодня не казалось подобное представление, задумайтесь - а вы знаете, что такое свет? Откуда он берется? Как мы воспринимаем его, и почему разные предметы имеют разный цвет?
Включите лампочку и поднесите к ней руку. Вы ощутите исходящее от лампочки тепло. Соответственно, свет - это излучение. Всякое излучение переносит энергию, однако далеко не всякое излучение мы можем воспринимать зрительно. Сделаем вывод, что свет - это видимое излучение.
Свойства света
Опытным путем установлено, что свет имеет электромагнитную природу, поэтому можно дополнить наше определение следующим образом: свет - это видимое электромагнитное излучение.
Свет может проходить сквозь прозрачные тела и вещества. Поэтому свет солнца проникает к нам через атмосферу, хотя при этом свет преломляется . А встречаясь с непрозрачными предметами, свет отражается от них, и мы можем воспринимать этот отраженный свет глазом, и таким образом видим.
Часть света при этом впитывается предметами, и они нагреваются. Темные предметы нагреваются сильнее светлых, соответственно, большая часть света впитывается ими, а отражается меньшая. Поэтому эти предметы выглядят для нас темными.
Больше всего света впитывают предметы черного цвета. Именно поэтому летом в жару не стоит одевать черные вещи, потому что можно получить тепловой удар. По этой же причине летом мамы обязательно надевают детям светлые головные уборы, которые нагреваются значительно меньше, чем волосы, имеющие более темный цвет.
Источники света
Тела, от которых свет исходит, называются источниками света. Различают естественные и искусственные источники света. Самый известный абсолютно всем жителям нашей планеты естественный источник света - это Солнце.
Солнце - это не только источник видимого света, но и тепла, вследствие которого и возможна жизнь на Земле. Другие естественные источники света - это звезды, атмосферные явления типа молнии, живые существа, такие как светлячки, и так далее.
Благодаря человеку существуют также и искусственные источники. Раньше для людей основным источником света в темное время был огонь: свечи, факелы, газовые горелки и так далее. В наше время наиболее распространенными являются электрические источники света. Причем они подразделяются в свою очередь на тепловые (лампы накаливания) и люминесцентные (лампы дневного света, газосветовые лампы).
Распространение света
Еще одно свойство света - это прямолинейное распространение. Свет не может огибать препятствия, поэтому за непрозрачным предметом образуется тень. Тень часто является не совсем черной, потому что туда попадают различные отраженные и рассеянные лучи света от других предметов.
«Свет » относится к тем категориям, которые кажутся наиболее знакомыми, понятными и простыми, но на самом деле оказываются самыми сложными. Вообще говоря, на протяжении всего развития физики представления о том, что такое свет неоднократно кардинально менялись.
В древнем мире мнения о свете были самые разные. В ньютоновскую эпоху в большей степени получила развитие геометрическая оптика и корпускулярный взгляд на свет, хотя в то же возникли и волновые представления о свете (принцип Гюйгенса). С открытием явлений интерференции и дифракции приоритет перешел к волновой теории света, причем в рамках Максвелла оказалось, что свет - это электромагнитные колебания (волны в электромагнитном поле). Однако в рамках пришлось вновь вернуться к корпускулярным представлениям о свете, тогда же появилось понятие фотон - квант света. С тех пор считается, что свет имеет двойственную природу - в одних случаях волновую, в других - корпускулярную.
Полевая физика существенно меняет философию всех этих вопросов. Во-первых, она отделяет понятие , которой принадлежат базовые (протоны, электроны и т.п.) и состоящие из них тела, от понятия , к которым относится свет, как электромагнитной компоненты . В свет не является материальной сущностью, это колебательный процесс, который может характеризоваться такими понятиями как частота или , но не обладает или .
Согласно этой философии свет не подчиняется законам, справедливым для материальных тел. В частности, на него не могут действовать , для него не применимо классическое правило сложения , так как свет - сущность иной природы, нежели материальные объекты. Так если бросить камень с движущейся лодки, то его полная скорость относительно берега будет суммой начальной скорости камня и скорости лодки. Если же камень упадет в воду, то скорость распространения кругов на воде не зависит от того, с какой скоростью камень летел, так как круги на воде, также как и свет, ни что иное как , а не материальное тело. Скорость волн определяется свойствами среды, в которой они распространяются, и она не зависит от скорости источника, создавшего эти волны (скорость источника влияет на частоту волн, этот эффект носит название эффекта Доплера). Это простое объяснение наглядно показывает, почему в отличие от скорости камня не зависит от источника. Просто закон сложения скоростей, применимый для материальных тел, не применим к свету, как сущности иной природы.
Согласно отклонение света в также не связано с действием на свет гравитационных , так как свет, как колебательный процесс, не обладает (а точнее гравитационным зарядом). Этот эффект происходит за счет увеличения среды вблизи крупного тела а, следовательно, свет испытывает некоторое преломление, проходя через более плотную среду. Аналогичным образом в полевой физике получают совершенно иную интерпретацию и объяснение многие эффекты, связанные со светом.