Hlavní obsah
Kurz: Kosmologie a astronomie > Kapitola 1
Lekce 3: Světlo a základní sílyÚvod do světla
Světlo a spektrum elektromagnetického záření. Vlastnosti vln a částic, způsob výpočtu vlnové délky a frekvence světelné vlny. Tvůrce: Sal Khan.
Chceš se zapojit do diskuze?
Zatím žádné příspěvky.
Transkript
V tomto videu vám chci poskytnout
základní přehled o fenoménu světla. Světlo je, alespoň podle
mě, docela záhadné, protože z jednoho úhlu
opravdu definuje naší realitu. Možná to je nejsilnější
charakteristika naší reality. Všechno, co vidíme,
jak vnímáme realitu, je založeno na odrazech světla a
jeho ohýbání okolo objektů, čili difrakci, což vnímají naše oči a poté
posílají signály do našeho mozku, který vytváří model světa okolo nás. Je to opravdu skoro určující
vlastnost naší reality, ale zároveň, když začnete zkoumat
světlo více experimentálně, objevíte spoustu záhadných vlastností, které ve velké míře nejsou
ještě plně pochopeny. A možná ta nejúžasnější věc
týkající se světla – vlastně je na světle
spousta úžasných věcí – jedna z nejzáhadnějších věcí, což se vlastně netýká jenom světla,
platí to skoro pro cokoli, když se dostaneme do malých rozměrů,
kde platí zákony kvantové mechaniky, světlo se chová jako
vlna a částice zároveň. Tohle pro vás asi
nebude snadno pochopitelné, ani já si to dobře nedokážu představit. V životě jsem zvyklý,
že se věci chovají jako vlny, třeba zvukové vlny nebo mořské vlny. A jsem také zvyklý,
že se určité věci chovají jako částice. Například basketbalový míč,
nebo můj šálek kávy. Nejsem zvyklý na věci,
které se chovají jako oboje. A to všechno závisí na tom, jaký
experiment uděláte a jak světlo sledujete. Pokud ho
pozorujete jako částici, jak můžeme vyvodit z
Einsteinova fotoelektrického efektu. Nebudu to probírat podrobněji,
možná v dalším videu, až začneme přemýšlet o kvantové mechanice. Na světlo se můžete dívat jako
na částice pohybující se rychlostí světla. O tom budu za chvíli mluvit. A těmto částicím říkáme fotony. Když se podíváte na světlo jinak, jak ho vidíme, pokud se podíváme
na paprsek světla lomený hranolem, vidíme ho jako vlnu.
A také má vlastnosti vlny. Má frekvenci a vlnovou délku. A jako ostatní vlny má rychlost, která
se rovná frekvence krát vlnová délka. I když budete ignorovat
částicovou povahu světla, když se podíváte na světlo jenom jako
na vlnění, je stále fascinující, protože většina vln potřebuje
médium, kterým cestuje. Například: Když si vzpomenu, jak
zvuk cestuje vzduchem. Tady nakreslím pár částic vzduchu. A teď nakreslím zvukovou vlnu
cestující skrz vzduchové částice. Zvuková vlna stlačí některé částice
vzduchu a ty stlačí sousední částice. A tak máme ve vzduchu body
s vyšším tlakem a body s nižším tlakem. Můžete to nakreslit. Takže tady máme vysoký tlak. Vysoký tlak,
nízký tlak, vysoký tlak, nízký tlak. A jak tyto částice do sebe naráží,
vlna cestuje doprava, když si to nakreslíte, tak uvidíte,
že vlna opravdu cestuje doprava. Vše je předpovězeno a založeno
na energii cestující skrz prostředí a já jsem zvyklý takto zobrazovat vlny,
ale světlo nepotřebuje prostředí. Světlo nepotřebuje prostředí. Světlo vlastně nejrychleji
cestuje prázdnem, skrz vakuum. A cestuje nepředstavitelně
rychle: 3 krát 10^8 m/s. Pro vaši představu: to je 300 miliónů
metrů za sekundu. Nebo jinak: světlu by trvalo méně než
sedminu sekundy obletět Zemi neboli by za sekundu obletělo
Zemi více než sedmkrát. Nepředstavitelně rychle. A nejenom to,
že tak rychle kmitá, neboli je tak rychlé, také nám to říká, že světlo je něco
základního v našem vesmíru, protože to není jenom nepředstavitelná
rychlost, je to ta nejvyšší rychlost, nejenom známá ve fyzice,
ale nejvyšší možná ve fyzice. Což opět není moc intuitivní
v našem každodenním světě. Vždycky nás napadne: Ok, když se něco
pohybuje určitou rychlostí, tak když se bude mravenec pohybovat
na povrchu té věci stejným směrem, bude se pohybovat rychleji. Ale nic se nemůže pohybovat
rychleji než světlo. Je to prostě nemožné na základě
současného chápání fyziky. Takže to není jenom velká rychlost.
Je to největší možná rychlost. A tohle tady je jen přibližné. Vlastně to je
2,99 něco něco krát 10^8 m/s. Ale 3 krát 10^8 m/s je
dostatečně přesné zaokrouhlení. Nyní budu mluvit o viditelném světle a co je mimo viditelné spektrum světla. Asi znáte barvy a možná si je
představíte jako barvy duhy. K duze fakticky dochází,
když se světlo ze Slunce, neboli bílé světlo, lomí v kapkách vody. Můžete to vidět ještě jasněji
na světle rozptýleném takovým hranolem. A má všechny rozdílné
vlnové délky světla. Bílé světlo obsahuje
všechny viditelné vlnové délky. Ale různé vlnové délky se
v hranolu lomí různě, takže vlnové délky u vyšších frekvencí, fialové a modré, se lomí pod větším úhlem
než nízkofrekvenční vlnové délky, než červené a oranžové. A když se podíváte
na vlnovou délku světla, viditelné světlo je mezi
400 nanometry a 700 nanometry. A čím je vyšší frekvence,
tím vyšší energie světla. A to souvisí s kvantovou mechanikou. Vyšší frekvence znamená,
že každý z těchto fotonů má vyšší energii. Mají lepší schopnost pomocí
kinetické energie vyrazit elektrony nebo udělat jiné věci. Takže vyšší frekvence, napišme si to: vyšší frekvence znamená vyšší energie. Pořád tady mluvím o viditelném světle. A můžete se zeptat:
Co je za viditelným světlem? A zjistíte, že světlo je jenom část
o hodně většího fenoménu, jenom část,
kterou jsme schopni pozorovat. A když tuto diskuzi rozšíříme ještě dále: Viditelné světlo je opravdu jenom
část elektromagnetického spektra. Světlo je vlastně jenom
elektromagnetická radiace. Elektromagnetická radiace. A všechno, co jsem vám teď řekl o světlu,
to, že se chová jako vlna i jako částice, se netýká jenom viditelného světla. Platí to o celém
elektromagnetickém záření. Takže na velmi nízkých frekvencích,
neboli dlouhých vlnových délkách, najdeme rádiové vlny, které umožňují rádiu
dosáhnout do vašeho auta, umožňují vašemu mobilu
spojit se s vysílačem. Mikrovlny rozvibrují molekuly vody
ve vašem jídle tak, že se zahřejí. Infračervené záření,
které vydává vaše tělo, a tak můžete detekovat lidi
skrz zdi pomocí infrakamer. Viditelné světlo, ultrafialové světlo,
to světlo, co jde ze slunce a spálí vás. Rentgenové paprsky. Radiace, která nám dovolí podívat se skrz
měkký materiál a vidět kosti. Gama záření. Supersilná energie,
co vychází z kvasarů, a další druhy fyzikálních jevů. To jsou všechno ukázky toho samého. My pouze vnímáme určité
frekvence jako viditelné světlo. A můžete se zeptat: „Hej, Sale, proč
vidíme jenom určité frekvence?“ Proč vidíme zrovna tyto frekvence? Doslova dokážeme vidět
tyto frekvence pouhým okem. A důvod, podle mého nejlepšího vědomí,
je, že to je frekvence, kde slunce vyzařuje nejvíc
elektromagnetického záření. Slunce osvětluje Zemi
a když, jako živočišný druh, chcete pozorovat věci
založené na odražené energii, odražené elektromagnetické energii,
nejvíc se hodí vnímat věci, na které padá nejvíc
elektromagnetické radiace. Takže je možné, že v jiných realitách
nebo na jiných planetách budou organizmy, které vnímají víc ultrafialového spektra
nebo infračerveného spektra. Dokonce na Zemi jsou nějaké, které vidí lépe na nějakém konci spektra. Ale my vidíme opravdu
dobře v té části spektra, kde na nás Slunce
vyzařuje nejvíce. U toho skončíme, myslím, že teď
máte docela dobrý přehled o světle. A jestli se něco z toho zdá neintuitivní
nebo divné nebo opravdu matoucí, tato dualita vlna/částice,
tahle myšlenka přenosu energie skrz nic, vypadá podivně: Nebojte. Je to podivné i pro ty nejlepší fyziky. Takže jste už teď na
špici fyzikálního myšlení.