Contenuto
La domanda su come la luce viaggia attraverso lo spazio è uno dei misteri perenni della fisica. Nelle spiegazioni moderne, è un fenomeno ondoso che non ha bisogno di un mezzo attraverso il quale propagarsi. Secondo la teoria quantistica, si comporta anche come una raccolta di particelle in determinate circostanze. Per la maggior parte degli scopi macroscopici, tuttavia, il suo comportamento può essere descritto trattandolo come un'onda e applicando i principi della meccanica ondulatoria per descriverne il movimento.
Vibrazioni elettromagnetiche
A metà del 1800, il fisico scozzese James Clerk Maxwell stabilì che la luce è una forma di energia elettromagnetica che viaggia nelle onde. La domanda su come riesce a farlo in assenza di un mezzo è spiegata dalla natura delle vibrazioni elettromagnetiche. Quando una particella carica vibra, produce una vibrazione elettrica che induce automaticamente una magnetica - i fisici spesso visualizzano queste vibrazioni che si verificano nei piani perpendicolari. Le oscillazioni accoppiate si propagano verso l'esterno dalla sorgente; nessun mezzo, ad eccezione del campo elettromagnetico che permea l'universo, è necessario per condurli.
Un raggio di luce
Quando una sorgente elettromagnetica genera luce, la luce viaggia verso l'esterno come una serie di sfere concentriche distanziate secondo la vibrazione della sorgente. La luce prende sempre il percorso più breve tra una sorgente e una destinazione. Una linea tracciata dalla sorgente alla destinazione, perpendicolare ai fronti delle onde, è chiamata raggio. Lontano dalla fonte, i fronti delle onde sferiche degenerano in una serie di linee parallele che si muovono nella direzione del raggio. La loro spaziatura definisce la lunghezza d'onda della luce e il numero di tali linee che attraversano un determinato punto in una data unità di tempo definisce la frequenza.
La velocità della luce
La frequenza con cui una sorgente luminosa vibra determina la frequenza - e la lunghezza d'onda - della radiazione risultante. Ciò influenza direttamente l'energia del pacchetto d'onda - o scoppio di onde che si muovono come un'unità - secondo una relazione stabilita dal fisico Max Planck nei primi anni del 1900. Se la luce è visibile, la frequenza delle vibrazioni determina il colore. La velocità della luce non è influenzata dalla frequenza vibrazionale, tuttavia. Nel vuoto, è sempre 299.792 chilometri al secondo (186, 282 miglia al secondo), un valore indicato dalla lettera "c". Secondo la teoria della relatività di Einstein, nulla nell'universo viaggia più veloce di così.
Rifrazione e arcobaleni
La luce viaggia più lentamente in un mezzo rispetto a un vuoto e la velocità è proporzionale alla densità del mezzo. Questa variazione di velocità fa piegare la luce all'interfaccia di due media, un fenomeno chiamato rifrazione. L'angolo a cui si piega dipende dalla densità dei due media e dalla lunghezza d'onda della luce incidente. Quando l'incidente di luce su un mezzo trasparente è composto da fronti d'onda di diverse lunghezze d'onda, ogni fronte d'onda si piega con un'angolazione diversa e il risultato è un arcobaleno.