Dopiero niedawno ludzie rozszyfrowali naturę światła, najbardziej przydatnego zjawiska w otaczającym nas świecie. Faraday w połowie XIX wieku zasugerował, że jest to zjawisko elektryczne. Kilkanaście lat później Maxwell wykazał matematycznie, że w przestrzeni mogą się rozchodzić drgające siły elektryczne, co było zupełnie niezrozumiałe dla dziewiętnastowiecznego pokolenia fizyków i inżynierów. Były to przecież dla nich drgania niczego, drgania pustej przestrzeni.
Te matematyczne obliczenia Maxwella pokazały, że szybkość rozchodzenia się tych fal, nazwanych falami elektromagnetycznymi, jest podobna do szybkości światła, mierzonego coraz dokładniej przez fizyków. Późniejsze doświadczenia, badania i wykorzystanie fal elektromagnetycznych (w tym radiowych) wykazały niezbicie, że światło jest drobnym wycinkiem tych fal, którymi wypełniony jest cały otaczający nas świat.
Fale elektromagnetyczne wzbudzane są ruchem ładunków elektrycznych. Nawet poruszając naładowanym elektrycznie grzebieniem, wzbudzamy w otoczeniu falę elektromagnetyczną. Taka fala jest nieprzydatna, faluje zbyt wolno. Te fale które wypełniają przestrzeń wzbudzane są głównie przez bardzo szybkie ruchy cząstek elektrycznych w atomach.
Ciepło jest to szybki ruch drobnych cząsteczek, tym szybszy i gwałtowniejszy im wyższa temperatura, im bardziej pobudzimy te cząsteczki do drgań. Poruszające się naładowane cząsteczki to zmiany elektryczne w otoczeniu, to powstanie fal elektromagnetycznych rozchodzących się w przestrzeni. Fale elektromagnetyczne unoszą w przestrzeń energię. Drgająca cząsteczka pozbywając się tej energii – stygnie. Ale te unoszone w przestrzeń fale mogą pobudzić do szybszych drgań odległe cząsteczki, podwyższyć ich temperaturę. Dzięki falom elektromagnetycznym, od miliardów lat do Ziemi dochodzi energia (ciepło) ze Słońca.
Fizycy zorientowali się, że to falowanie elektromagnetyczne może być wywoływane z różną częstością (częstotliwością). Z drutów elektrycznych wybiegają fale zmieniające się bardzo wolno, tak jak zmienia się prąd w drutach – 60 razy na sekundę. Z anten radiowych i telewizyjnych wysyłane są fale drgające miliony razy na sekundę. W kuchenkach mikrofalowych fale elektromagnetyczne drgające miliardy razy na sekundę już tak mocno „potrząsają” cząsteczkami wody, że rozgrzewają potrawy w krótkim czasie. Do szybkich drgań nazywanych światłem jeszcze daleko. Po drodze spotykamy fale cieplne (podczerwone), drgające miliony miliardów razy na sekundę, dzięki którym z zamkniętymi oczami czujemy na skórze ciepło Słońca, pieca, ogniska.
Gdy drgania elektromagnetyczne zbliżają się do miliarda miliardów na sekundę, zaczyna je dostrzegać nasz najważniejszy zmysł, wzrok. Żywe organizmy wykorzystywały zjawisko światła od samego początku drogi ewolucyjnej. Możliwość poznawania otoczenia na odległość, bez dotykania, była tak korzystna, że z pokolenia na pokolenie coraz lepiej ukształtowany zmysł wzroku stawał się cechą dającą największe szanse przeżycia i wydania pokoleń.
Oczy są najbardziej skomplikowanym organem, będącym w zasadzie częścią mózgu. Co ciekawe, budowa oczu jest podobna u wielu zwierząt ukształtowanych zupełnie innymi ścieżkami ewolucji – chociażby oczy mięczaków (ośmiornica) i oczy kręgowców. Zupełnie inaczej ukształtowały swoje oczy owady, lecz są te „oczy” znacznie gorsze.
Elementami czułymi na światło są w oku zakończenia milionów nerwów na siatkówce. Odczuwanie światła jest możliwe dzięki zmianom chemicznym wywoływanym w substancjach znajdujących się w tych czujnikach światła, w oczach. Zmiany te są odwracalne, to znaczy pobudzona cząsteczka wraca po krótkim czasie do swojego stanu, lecz wywołane tymi zmianami impulsy elektryczne zostały już przekazane dalej i zanotowane w mózgu.
Światło może mieć różne barwy. Dla fizyka barwy to tylko niewiele różniące się częstotliwości drgań elektromagnetycznych. W naszych oczach (i w oczach większości zwierząt) jest kilka rodzajów nieco różniących się cząsteczek chemicznych w zakończeniach nerwów wzrokowych. Cząsteczki, które łatwo pobudzane są drganiami nieco wolniejszymi, dużo słabiej reagują na drgania szybsze i odwrotnie. Dzięki temu, mózg nasz rozróżnia rodzaj fal wpadających do oka i rodzaj ten nazywamy barwą – kolorem.
Jeżeli w świetle jest cała gama (różnorodność) barw, czyli częstotliwości fal, to w odpowiedniej proporcji reagują wszystkie nerwy w oku. Słońce wysyła do nas właśnie te wszystkie możliwe fale i to światło słoneczne, towarzyszące nam przez tysiąclecia istnienia gatunku, ludzie nazwali światłem białym.
Nauczono się rozdzielać barwy światła białego. Wiele materiałów (szkło, woda) przepuszcza cały zakres fal świetlnych, lecz przepuszcza to z różną szybkością, zależnie od częstotliwości fal. Odpowiednie kształty tych materiałów (pryzmat, soczewka, kropla wody) powodują, że różne fale przechodzą różnymi drogami i załamują się. Często obserwujemy zjawisko tęczy, rozdzielenia barw światła na kropelkach deszczu, mgły, rozprysków wodospadu.
Przyjęto mówić, że mamy siedem kolorów tęczy. Fizycy mówią, że jest tych kolorów w tęczy nieskończona ilość, tak jak nieskończona jest ilość różnych częstotliwości fal. Obserwując kolor, który określamy (na przykład) jako żółty, wcale nie oznacza, że mamy w oku cząsteczki chemiczne reagujące na kolor żółty. Na tę częstotliwość fal zareagowały w odpowiedniej proporcji cząsteczki czułe głównie na kolor czerwony i cząsteczki czułe na kolor zielony. To mózg nazwał to światło żółtym. Gdy częstotliwość fal będzie trochę mniejsza (fala nieco dłuższa), to słabiej zareagują cząsteczki „zielone”, więcej sygnałów wyślą cząsteczki „czerwone”. Mózg zareaguje inaczej i my takie światło nazwiemy światłem pomarańczowym.
Dzięki tej właściwości oczu i mózgu możemy „podrabiać” kolory, na przykład w telewizorze. Ekran telewizora nie może wysyłać wszystkich kolorów, tak jak Słońce czy rozżarzone „do białości” włókno żarówki. Jeżeli lekko popryskamy szkło telewizora i powstaną na jego powierzchni malutkie kropelki wody – soczewki, to ujrzymy w powiększeniu kolorowe punkciki świecące na czerwono, zielono i niebiesko. Ekran telewizora wysyła do naszych oczu tylko te trzy barwy, trafiające w odpowiednich proporcjach do odpowiadających im trzech czujników barw w naszych oczach, a mózg tworzy wrażenie koloru – na przykład żółtego. Badania statystyczne wykazały, że ludzie potrafią rozróżniać aż 10 milionów kolorów tworzonych w mózgu z trzech podstawowych barw trafiających do oczu w odpowiednio dobranych proporcjach.
Niektóre gatunki zwierząt „pogubiły” albo nie wypracowały w swoich oczach wszystkich czujników kolorów. Na przykład krowy i byki „nie widzą” koloru czerwonego, tak jak widzą to inne zwierzęta. Wystarczyło im dostrzeganie zielonej trawy i niebiesko odbijającej światło wody. Czerwona krew nie interesuje pasących się zwierząt, w przeciwieństwie do drapieżników.
Kilka procent populacji ludzi (głównie mężczyzn) nie odczuwa wrażenia kolorów tak jak inni. Tę wadę wzroku nazywamy daltonizmem, od nazwiska fizyka, który zorientował się, że ma tę wadę i ją opisał. U ludzi dotkniętych tą dolegliwością występuje deficyt substancji reagującej w oczach na jakiś kolor światła. Początkowo uważano, że ludzie ci nie mogą prowadzić samochodów, bo nie widzą kolorów świateł drogowych. Ale oprócz kolorów, znaki mają właściwe sobie kształty, a światła są umieszczone na sygnalizatorach w odpowiedniej kolejności (czerwone u góry).
Fizycy XX wieku obserwując zjawiska świetlne doszli do wniosku, że coś w ich przewidywaniach nie pasuje. Światło wysyłane jest inaczej, niż gdyby było wytwarzane tylko przez drgające w cieple cząsteczki. Ja też na początku trochę pokłamałem – dlatego aby nie ostraszyć czytelników już na wstępie. Świecą przecież przedmioty zimne - spróchniałe drewno, owady, niektóre ryby.
Dokładna analiza promieniowania świetlnego wykazała, że temperatura (albo i reakcje chemiczne) powodują pewien bałagan w ułożeniu ładunków elektrycznych w atomach i cząsteczkach dodając do ich wnętrza trochę energii. Po krótkim czasie następują powroty ładunków do innego ustawienia i towarzyszy temu oddanie energii, wysłanie fali elektromagnetycznej – błysku światła.
Te błyski są ściśle określonego koloru, inne dla różnych substancji. Możemy to często zobaczyć, gdy nasypiemy szczyptę soli na palnik gazowej kuchenki lub gdy wychlapie się posolona woda. Cały płomień zabarwi się na żółto – światło charakterystyczne dla sodu – składnika soli kuchennej. Obserwując z daleka te charakterystyczne błyski (prążki widmowe) fizycy mogą określić, jakie pierwiastki i jakie związki chemiczne są w płomieniu spalanej w laboratorium substancji a nawet na odległych gwiazdach. W ten sposób odkryto na Słońcu hel, nieznany wcześniej na Ziemi gaz. Domieszkami różnych substancji zabarwiane są „sztuczne ognie” wystrzeliwane z okazji świąt.
Analiza procesów wysyłania światła otworzyła fizykom nowe spojrzenie na świat. Okazało się, że w tym świecie atomów i promieni świetlnych panują inne prawa, nie można dokładnie tego opisać prawami poznanymi w wymiarach, w których my się poruszamy. Odkryto prawa tak zwanej mechaniki kwantowej i wiele zjawisk stało się oczywistymi.
Niektóre atomy i cząsteczki mogą być „napompowane” energią i zwlekać z powrotnymi zmianami, nie wysyłać światła zbyt szybko. Dopiero jak zostaną lekko pobudzone falą odpowiedniej częstotliwości, dołączą do niej swoją nadmierną energię. Fala zaczyna lawinowo narastać i wyskakuje z urządzenia nie pojedynczy promyk, lecz potężny strumień światła. Strumień ten jest bardzo wąski i daje się precyzyjnie wcelować w pożądany punkt. Tak działają lasery.
Możliwość wytworzenia w dowolnej chwili silnego i wąskiego strumienia światła, dostarczającego energię do bardzo małych powierzchni (prawie punktów), pobudziła inicjatywę wynalazców. Obecnie, gdzie nie spojrzeć, widzi się i mówi się o laserach. Ogromnej mocy lasery tną stal i kamienie. Precyzyjne instrumenty laserowe „zeskrobują” z oczu cienkie błonki, korygując ostrość wzroku. Użycie laserów zrewolucjonizowało medycynę i chirurgię. Promienie laserów przenoszą w światłowodach informacje pomiędzy kontynentami.
Światło obecnie służy nam nie tylko do orientowania się w otoczeniu a roślinom do przechwytywania dwutlenku węgla i budowania swoich komórek. Światło zostało wykorzystane w wielu urządzeniach i procesach technologicznych, bez których życie nasze byłoby o wiele trudniejsze i mniej ciekawe. Temat jest bardzo obszerny i będę do niego powracał w przyszłości. (ami)
Redakcja
