Fő tartalom
Kozmológia és csillagászat
Tantárgy/kurzus: Kozmológia és csillagászat > 1. témakör
3. lecke: A fény és az alapvető kölcsönhatásokA fény
A fény és az elektromágneses spektrum. Hullám- és részecsketulajdonságok. A fényhullám hullámhosszának vagy frekvenciájának kiszámítása. Készítette: Sal Khan.
Szeretnél részt venni a beszélgetésben?
Még nincs hozzászólás.
Videóátirat
Ebben a videóban szeretném alapszinten
bemutatni a fény jelenségét. A fény – legalábbis számomra – titokzatos, mert bizonyos szempontból meghatározza a valóságunkat, talán ez a legmeghatározóbb jellemzője a valóságunknak. Minden, amit látunk, ahogy érzékeljük a valóságot, a fényen alapszik, a tárgyakról visszaverődő, vagy a tárgyak körül elhajló vagy a tárgyakon megtörő fényen, amit a szemünk érzékel, és aztán jeleket küld az agyunkba, ami modelleket készít a világról, amit magunk körül látunk. Tehát ez tényleg szinte meghatározó jellemzője
a valóságunknak. Ugyanakkor ha igazán elkezdesz kísérletezni, és megfigyelni a fényt, akkor észreveszed, hogy van egy csomó
rejtélyes tulajdonsága, és ezek nagy részét még nem teljesen értjük. Valószínűleg a legbámulatosabb
tulajdonsága a fénynek – valójában egy csomó bámulatos
jellemzője van a fénynek –, de az egyik rejtélyes dolog az,
hogy ha igazán belemélyedsz – és ez tulajdonképpen nem csak a fényre igaz, ez igazából szinte mindenre igaz, ami elég kicsi kvantummechanikai szinten –, hogy a fény hullámként és
részecskeként is viselkedik. Ezt valószínűleg nem tudod elképzelni, mert én sem tudom elképzelni. Megszoktam, hogy az életemben bizonyos
dolgok hullámként viselkednek, mint a hanghullámok vagy az óceán hullámai, és megszoktam, hogy bizonyos dolgok
részecskeként viselkednek, mint a kosárlabda vagy – nem tudom –
a kávéscsészém. Nem szoktam meg, hogy valami
mindkettőként viselkedik. Ez valójában attól függ, milyen kísérletet
hajtasz végre, és hogy figyeled meg a fényt. Tehát amikor részecskeként figyeled meg – ez Einsteinnek a fotoelektromos effektusra
vonatkozó munkában jelent meg először, nem akarok belemenni a részletekbe,
esetleg egy későbbi videóban, amikor a kvantummechanikával
kezdünk foglalkozni –, tekintheted úgy a fényt, mint egy
részecskékből álló vonat, ami fénysebességgel mozog,
amiről mindjárt fogok beszélni. Ezeket a részecskéket fotonoknak hívjuk. Ha másképpen nézed a fényt – akkor is így nézed, amikor a fény
megtörik egy prizmán –, úgy néz ki, mintha hullám lenne, hullámtulajdonságai vannak, van frekvenciája, hullámhossza, és mint a többi hullámnak,
a sebessége ennek a hullámnak a frekvencia és a hullámhossz szorzata. Még ha figyelmen kívül is hagyjuk
ezt a részecsketulajdonságot, ha csak a hullámtulajdonságát
nézzük a fénynek, még akkor is nagyon érdekes. Mert a legtöbb hullámnak szüksége
van egy közegre, amiben terjed. Például ha arra gondolok,
hogy terjed a hang a levegőben – hadd rajzoljak ide egy csomó levegőrészecskét, le fogom rajzolni a hanghullámot, ahogy halad
a levegőrészecskék között –, az történik a hanghullámban, hogy néhány
levegőrészecske összenyomódik, és ezek összenyomják a mellettük levőket, így lesznek olyan pontok a levegőben, ahol magasabb
– azt hiszem, mondhatjuk –, magasabb a nyomás, és lesznek pontok, ahol alacsonyabb a nyomás. Ábrázolhatjuk ezt. Tehát itt magas a nyomás, magas nyomás, alacsony nyomás,
magas nyomás, alacsony nyomás, és ahogy ezek a dolgok összeütköznek egymással, ez a hullám lényegében halad jobbra. Ha ábrázolnánk, azt látnánk, hogy ez a hullámforma halad jobbra. Ez az egész azon alapszik, hogy ez az energia áthalad a közegen. Így szoktam ábrázolni a hullámokat. De a fénynek nincs szüksége közegre, valójában a fény a semmiben terjed
a leggyorsabban, a vákuumban. És elképzelhetetlenül nagy sebességgel halad, 3-szor 10⁸ méter per szekundummal, csak hogy legyen elképzelésed, ez 300 millió méter per szekundum, vagy másképpen, a fény kevesebb, mint 1/7 másodperc alatt
kerülné meg a Földet, vagy több mint hétszer kerülné meg a Földet egy másodperc alatt. Tehát hihetetlenül gyors. És ez nemcsak egy szuper gyors sebesség, hanem ismétlem, ez azt jelenti, hogy a fény valamiféle alapvető dolog
az univerzumban, mert ez nemcsak egy elképzelhetetlenül
nagy sebesség, ez nemcsak a legnagyobb ismert sebesség a fizikában,
hanem a lehetséges legnagyobb sebesség a fizikában. Tehát még egyszer, ez valami
nagyon elképzelhetetlen számunkra, a mi hétköznapi világunkban. Mi mindig úgy képzeljük ezt,
hogy ha valami menne valamilyen sebességgel, és ha mondjuk egy hangya haladna ennek a valaminek a tetején, és ugyanabba az irányba mozogna, akkor még gyorsabb lenne. De a fénysebességnél semmi nem tud
gyorsabban menni, ez teljesen lehetetlen a jelenlegi fizikai
ismereteink alapján. Tehát ez nemcsak nagy sebesség, hanem a lehetséges legnagyobb sebesség. Ez itt egy közelítő érték, valójában 2,99 valami valami szorozva
10⁸ m/s, de a 3-szor 10⁸ m/s elég jó közelítés. A látható fény tartományán belül – mindjárt beszélek arról, hogy mi van
a látható fény tartományán túl – valószínűleg ismered a színeket, talán úgy képzeled el őket,
mint a szivárvány színeit. A szivárvány tulajdonképpen
azért keletkezik, mert a nap fénye, a fehér fény megtörik ezeken a kicsi
vízrészecskéken. Világosabban láthatod ezt, ha itt ezt a prizmán
megtörő fényt nézed, a fény különböző hullámhosszait – a fehér fény az összes látható
hullámhosszt tartalmazza –, a különböző hullámhosszakat különböző
mértékben töri meg a prizma. Ebben az esetben a magasabb
frekvenciájú fényhullám, az ibolya és a kék jobban megtörik, az irányuk jobban megváltozik,
mint az alacsonyabb frekvenciájú fényhullámoké, mint a vörös és a narancs itt. Ha meg szeretnéd nézni a látható
fény hullámhosszát, ez 400 nanométer és 700 nanométer
között van. Minél magasabb a frekvenciája, annál nagyobb
az energiája ennek a fénynek. És ez elvezet minket oda, amikor elkezdünk beszélni ennek a
kvantummechanikájáról – a magasabb frekvencia azt jelenti, hogy ennek az
összes fotonnak nagyobb az energiája, több mozgási energiát tudnak átadni, amivel kilökik az elektronokat
vagy bármi mást, amit kell. Szóval a magasabb frekvencia
– hadd írjam ezt le –, a magasabb frekvencia nagyobb energiát jelent. Folyamatosan a látható fényről
beszélek most, és te mondhatnád, hogy
mi van a látható fényen túl? Azt fogjuk találni, hogy ez a fény csak egy része egy sokkal tágabb jelenségnek, ez csak az a rész, amit történetesen észlelünk. Ha ki akarjuk szélesíteni egy kicsit a
megbeszélésünk tárgyát, a látható fény valójában csak egy része
az elektromágneses spektrumnak. Tehát a fény valójában elektromágneses sugárzás, és mindaz, amit most mondtam a fényről – vannak hullámtulajdonságai és vannak
részecsketulajdonságai –, ez nem csak a látható fényre jellemző, ez igaz az összes elektromágneses sugárzásra. Szóval a nagyon alacsony frekvenciájú,
vagy nagyon nagy hullámhosszú... – olyan dolgokról beszélünk, mint a
rádióhullámok, amik lehetővé teszik, hogy a rádióadás
eljusson az autódba, amik lehetővé teszik,
hogy a mobiltelefonod kommunikáljon a mobiltoronnyal; a mikrohullámok, amelyek elkezdik
rezegtetni a vízmolekulákat az ételedben, és így felmelegítik; az infravörös hullámok, amelyeket
kibocsát a testünk, és ezért érzékelheted az embereket
a falakon keresztül infravörös kamerával;
a látható fény; az ultraibolya fény, az UV fény, ami a napból jön, és amitől leégsz; a röntgensugár, a sugárzás, ami
lehetővé teszi, hogy átlássunk a lágy szöveteken
és lássuk a csontokat; a gamma-sugárzás, ami nagyon nagy energiájú,
és ami a kvazárokból jön, vagy egyes másfajta fizikai objektumokból – ezek mind-mind pontosan
ugyanarra a dologra példák, csak mi véletlenül bizonyos frekvenciákat
látható fényként érzékelünk ebből. Mondhatod, hogy „Hé, Sal, hogyhogy csak bizonyos
frekvenciákat érzékelünk ezek közül? Miért csak ezeket a frekvenciákat látjuk?” Mert hogy szabad szemmel látjuk
ezeket a frekvenciákat. És az oka, legalábbis az én legjobb
elképzelésem szerint ennek az az oka, hogy ez az a frekvencia, amelyen a Nap nagyon sok elektromágneses
sugárzást bocsát ki, tehát elárasztja ezzel a Földet. És ha egy faj – mint mi – meg akarja figyelni a dolgokat a visszavert elektromágneses energia alapján, akkor az a leghasznosabb, ha képes érzékelni
azokat a dolgokat, ahol a legtöbb elektromágneses sugárzás van. Tehát lehetséges, hogy egy másik valóságban,
vagy egy másik bolygón olyan fajok vannak, amelyek inkább az ultraibolya vagy az infravörös
tartományban érzékelnek. És még a Földön is vannak olyanok, amelyek jobban teljesítenek a
tartomány valamelyik végén. De mi a spektrumnak azt a részét látjuk
igazán jól. ahol történetesen a Nap sok sugárzást
zúdít ránk. Most befejezem. Szerintem ez egy elég jó áttekintés
volt a fényről. És ha ebből valami érthetetlennek
vagy ijesztőnek, vagy csak valamilyen szinten zűrzavarosnak tűnik
– ez a hullám-részecske kettősség, vagy ez az elképzelés az energiaátvitelről
a semmin keresztül –, ha érthetetlennek tűnik, ne aggódj, ez még a legjobb fizikusoknak is
érthetetlennek tűnik, szóval ezzel már a fizikai gondolkodás
élvonalában vagy.