Ljus

Thomas Young's skiss på ett så kallad diffraktionsmönster som det presenterades för Royal Society 1803: Ljuset släpps in genom två smala springor vid A och B. Ljusvågorna samverkar (interfererar) och bildar ett vågmönster liknande det som ringarna från stenar som kastats i en sjö kan bilda. (Foto från Wikipedia [public domain, utgången copyright])

Detta är något man funderat på sedan flera tusen år tillbaks. Ganska tidigt uppstod två huvudteorier. Den ena hävdade att ljuset var vågrörelser i luften (precis som ljud visade sig vara). Den andra menade att ljuset var mycket små partiklar som svävade fram genom luften.

I slutet av 1600-talet trodde Isaac Newton att han hade svaret. Ljuset visade sig reflekteras i perfekt räta linjer. Detta kunde bara vara på grund av att ljuset bestod av små partiklar menade han.

Men detta var fel menade flera av hans kollegor. Allt kunde förklaras om man antog att ljuset var vågor. Då kan man även förklara de vågmönster som bildas när man lyser igenom två smala springor (se exempel i figur en).

Och detta var vad de flesta trodde fram till 1900-talets början då man upptäckte något märkligt. Om man lyser på en metall så kan man få elektroner att lämna metallen. Det är i princip denna effekt man använder i dagens solceller. Det märkliga var att den energi som ljuset överförde kunde bara uttryckas i ett antal paket av energi*. Med andra ord verkade det återigen som om ljuset bestod av partiklar.

Och där står vi nu. Man har mycket grundligt visat att ljus är en vågrörelse. Och man har lika grundligt visat att det består av partiklar (som man kallar fotoner).

Så vad är ljus? Man kan säga att det beror på vad du vill att det skall vara. Om du gör ett experiment som undersöker vågegenskaper så beter sig ljuset som en våg. Men om du gör ett experiment som undersöker partikelegenskaper så beter sig ljuset som en partikel. Men det riktigt märkliga är att du inte kan få ljus att bete sig som både partikel och våg på samma gång.

* Det var för detta (och inte för sitt arbetet med relativitetsteorin) som Albert Einstein fick sitt Nobelpris 1921. Visste du förresten att han höll sin Nobelföreläsning på Liseberg?

Det elektromagnetiska spektrat. (Bild efter Philip Ronan [CC-ASA])

Vad har solljuset för färg?
Man brukar säga att solljus är vitt.

Men vad är vitt?
Det kan man ta reda på med hjälp av ett prisma. Låt solljuset lysa in genom prismat och som genom magi så delas det vita ljuset upp i alla regnbågens färger. Bokstavligen. För en regnbåge är inget annat än vad som bildas när solljus lyser genom miljoner små prismor som vi kallar regndroppar.

Men vad är färger?
Nu börjar det bli lite mer komplicerat. Vi pratade tidigare om att ljus kan bete sig som en våg. Det visar sig att färgen på ljus är kopplat till dess våglängd (d.v.s. avståndet mellan “topparna” på vågen). Av det synliga ljuset har lila kortast våglängd (har ljuset ännu kortare våglängd så att man inte ser det, så kallar man det ultraviolett). Längst våglängd hos det synliga ljuset har rött ljus (har ljuset lite för lång våglängd för att man skall kunna se det pratar man om infrarött ljus). I figuren ser du färgerna ordnade efter våglängd. Som jämförelse kan man säga att det går ungefär 100 våglängder av grönt ljus (våglängd 500 nanometer) på tjockleken av ett hårstrå (ungefär 50 mikrometer).

Det som kanske är ännu konstigare är att (synligt) ljus bara är en del av det som kallas elektromagnetisk strålning. Om ljuset har ännu kortare våglängd så kallas det röntgenstrålning. Det är sådant man använder för att röntga och se om du brutit benet. Åt andra hållet med mycket lång våglängd så har vi radiovågor. Så man kan på sätt och vis säga att när man lyssnar på radio så lyssnar man på ljus!

Övre bilden till vänster: ljus med varierande våglängd och fas.
Undre bilden till vänster: korrelerat ljus som i en laser.
Bild till höger: Laserreflektor på månen.

Som du lärde dig i förra sången består solljus av alla färger. Som du också lärde dig betyder det att det innehåller ljus av en massa våglängder. Inte nog med det, ljusvågorna har också fasskillnader, vilket betyder att de inte har sina toppar och dalar vid samma tidpunkter, se övre bilden i figuren.

Låter det svårt? Föreställ dig då att de olika ljusvågorna är personer som står och drar i ett rep. Några drar långsamma drag och några drar snabba drag. Och det är ingen samordning på när de drar. Så om det hade varit dragkamp så hade de förmodligen inte vunnit. Men om de samordnar sig så alla drar på samma gång och lika länge, då hade de lagt ihop all sin kraft. Precis så fungerar en laser: Den ser till att alla ljusvågorna har samma våglängd (det vill säga färg) och fas, precis som i den nedre bilden i figuren.

En laser kan byggas på olika sätt. Ett sätt är att man har ett litet spegelklätt utrymme där ljuset studsar framåt tillbaks i en gas. In i gasen matar man energi. Gasen fungerar så att den förstärker en viss våglängd och allteftersom ljuset studsar fram och tillbaks i spegelrummet så får alla ljusvågor samma fas. För att ljuset skall komma ut ur kammaren är en av speglarna halvgenomskinlig.

Det laserljus som kommer ut kan man samla i en smal ljusstråle. För att få detta att fungera ännu bättre använder man ofta linser (precis som i kikare och i glasögon) som samlar ihop ljuset ännu mer.

Ett sätt att använda laser är att mäta avstånd: Man skickar iväg en kort blink med laserljus (man kallar det en laserpuls) mot en spegel (som man med ett finare ord kallar laser-reflektor) och ljuset studsar tillbaks. Om man mäter tiden mellan det att ljuset skickades iväg och att det kommer tillbaks kan man räkna fram avståndet om man vet hur snabbt ljuset färdas. Detta har man använt för att mäta avståndet till månen. En av de raketer som sändes till månen ställde upp en laserreflektor på månen. Sedan dess har man kunnat skjuta iväg en laserpuls mot den och efter två och en halv sekund kommer ljuset tillbaks till jorden*.

Om du undrar vem Gunder Hägg i sångtexten är, så var han världens snabbaste medeldistanslöpare i början av 1940-talet. Han satte bland annat världsrekord på Slottskogsvallen.

* Ljusets hastighet (i rymden) är ungefär 300 000 kilometer per sekund. Då kan man med formeln hastighet * tid = sträcka räkna ut att avståndet är ungefär 750 000 kilometer fram och tillbaks, det vill säga avståndet är ungefär 375 000 kilometer. (Mäter man mer exakt får man ett medelavstånd till månen på ungefär 384 400 km.)

Hur man hittar Polstjärnan / Polaris (som egentligen är ett stjärnsystem med minst fem stjärnor) om man hittat Karlavagnen. (Foto från NASA, ESA, N. Evans (Harvard-Smithsonian CfA), and H. Bond (STScI) [public domain])

Om du tittar upp på himlen en stjärnklar natt så ser du en mängd stjärnor. Ljuset från de allra flesta av dessa stjärnor bildades långt innan du föddes. Det beror på att ljuset inte kan färdas snabbare än en viss hastighet (cirka 300 000 km per sekund som du vet sedan tidigare). Även om det är väldig fort (ljuset hinner sju och ett halvt varv runt jorden på en sekund och som du lärde dig i förra låten kommer det till månen och tillbaks på två och en halv sekund), så är de flesta stjärnor så långt bort att det tar ljuset många år att komma hit.

Om du till exempel tittar på Karlavagnen så har det tagit ljuset från de stjärnorna ungefär 100 år att komma hit. Tittar du på Polstjärnan så har det ljuset färdats över 400 år för att slutligen träffa dina ögon. Ljuset som du ser från Polstjärnan bildades alltså ett bra tag innan Göteborg grundades.

Nästan alla stjärnor du ser på himlen finns i den samling stjärnor som solen tillhör. En stjärnsamling kallas en galax och den galax solen tillhör kallas Vintergatan. Där finns ungefär 400 miljarder stjärnor (det vill säga nästan 50 för varje person på jorden). Men du kan faktiskt se ända bort till Andromedagalaxen om du har bra ögon. Den är ungefär lika stor som vintergatan och ligger nästan 3 miljoner ljusår bort, så ljuset från Andromeda bildades när några av människans äldsta föregångare levde på jorden.

Men det mest fantastiska är att fotonerna, de ljuspartiklar som våra ögon uppfattar, inte känner av tiden. Det beror på något som Albert Einstein kom på 1905, nämligen att tiden går långsammare ju snabbare man färdas. Och när man färdas med ljusets hastighet (som fotonerna ju gör) så står tiden stilla. Så en foton (om den hade kunnat tänka) skulle verkligen inte veta om resan från Andromeda tog en evighet eller bara en sekund...

Vad kan du om ljus?
(Foto från Wikipedia av användaren Zeke, använd under GNU Free Documentation License)

Vad har du lärt dig om ljus? Prova dig själv med våra quiz.

Notera att de ligger på en separat sajt (quiz.biz) och vi tar inget ansvar vare sig för innehållet på sajten, eller den reklam som visas där. Men frågorna är våra (om nu ingen ändrat på dem ;-)

• Första nivån
• Andra nivån
• Tredje nivån