Скоростта на светлината

В празното пространство (вакуум) светлината се движи с постоянна скорост, която е еднаква във всички инерциални отправни системи. Това твърдение е било доказано благодарение на експеримента на Майкелсон и Морли и в последствие е залегнало в основата на специалната теория на относителността на Айнщайн. Повече за теорията на относителността има на достъпен български в блога за Вселената, аз няма да се спирам тук на нея, само ще спомена едно от най-важните нейни следствия. А именно, нито материята, нито информацията могат да се движат със скорост по-голяма от скоростта на светлината във вакуум (бележи се с ). Това е наистина бързо -- за една секунда светлината изминава във вакуум 299 792 458 метра. Всъщност, от 1983 г. дефиницията за един метър е разстоянието, което светлината изминава във вакуум за 1/299 792 458 части от секундата.

Добре де, направих малко отклонение от темата. Причината беше да дам най-бегла представа за значението на тази константа () за физиката. Макар че съм почти сигурен, че не съм успял.

В евентуални бъдещи сметки няма да се тормозя с голяма точност и ще приемам скоростта на светлината за

Току-що скъсих метъра с около 2 промила или с цели 0.2 mm. ;-)

Показател на пречупване

Досега ставаше въпрос за скоростта на светлината в празното пространство. В материалните среди (например въздух, вода, стъкло) скоростта на светлината е по-ниска:

където е скоростта на светлината във вакуум, е скоростта на светлината в материалната среда, а множителят се нарича показател на пречуване на дадената среда. В различните среди, най-общо казано, светлината се разпространява с различна скорост и поради това показателят на пречупване е различен за различните среди. Разбира се, той е по-голям от единица, защото няма как светлината да се движи по-бързо в материална среда, отколкото във вакуум.

Но защо точно "показател на пречупване"?

Пречупване на светлината

Когато светлината се движи в една еднородна среда, тя се разпространява праволинейно, но когато достигне границата с друга среда, с друг показател на пречупване, светлината променя посоката си. "Защо го прави?" е интересен въпрос. Един непълен и незадоволителен отговор е, че светлината се пречупва, защото променя скоростта си. Явлението може да се обясни по-добре чрез вълновата оптика, но нямам намерение да го правя.  Затова пък ще дам закона, по който разбираме накъде точно поема светлината след като навлезе в другата среда.

Този закон се нарича закон на Снелиус и изглежда така:

или така, както по-често се среща (пък и по-лесно се помни):

Тук и са съответно ъгълът на падане и ъгълът на пречупване и се мерят между лъча и нормалата¹ към границата между двете среди; с и пък сме отбелязали скоростта на светлината в първата и втората среда съответно; и , разбира се, са показателите на пречупване в двете среди.

Отражение

В горната картинка нещо липсва. На границата между двете среди светлината освен че се пречупва във втората среда, някаква част от нея винаги се отразява обратно в първата. Към старата картинка добавяме един отразен лъч и тя става по-пълна.

Законът за отражение е доста по-прост от този за пречупване. Той гласи, че ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение .

Както има коефициент на пречупване, така има и коефициент на отражение, който показва каква част от светлината се е отразила. Той зависи от различни фактори, като например от това какво е веществото, от което се състои средата, а също и от ъгъла на падане.

Законът за отражение е верен и картинката по-горе изглежда така само, когато имаме огледално отражение. Такова отражение, обаче, е частен случай и се реализира само при положение, че повърхността е достатъчно гладка. Това ще рече неравностите да са от порядъка на и по-малки от дължината на вълната² . Когато неравностите на повърхността са по-големи, наблюдаваме дифузно отражение. В този случай отразените лъчи се разпространяват в най-различни посоки.

Дифузното отражение е изключително често срещано явление (ако въобще нещо, което е навсякъде, може да се нарече "често срещано"). Ние виждаме всеки един предмет около нас благодарение на дифузно отразената от него светлина (освен ако той самият не е източник на светлина, тогава ще видим неговата собствена). Колкото повече светлина отразява един предмет, толкова по-светъл изглежда той. Разбира се, освен че отразяват, предметите също така и поглъщат.

Поглъщане

Обикновено част от светлината, попаднала върху някаква материална среда, се поглъща от нея. Тогава енергията, която е притежавала погълнатата светлина, се добавя към вътрешната енергия на средата, т.е. средата се загрява.

Предметите, които поглъщат повече, изглеждат по-тъмни от тези, които отразяват повече. Белите неща отразяват (почти) целия видим спектър³ на светлината, докато черните пък поглъщат по-голямата част от него. Ето защо, когато носите тъмни дрехи под лъчите на слънцето, ви става по-топло, отколкото ако носехте светли дрехи. Много се смея всеки път, когато чуя някой да каже, че черният цвят привличал светлината, а белият пък я отблъсквал -- та това е пълна глупост!

Като стана дума за цветове, те се дължат на факта, че различните вещества поглъщат една част от видимия спектър и отразяват или пропускат друга. Тези, които изглеждат зелени например, поглъщат червената и синята част от спектъра и отразяват зелената.

Като заключение

Използвах модела на геометричната оптика, за да кажа, че светлината се движи с крайна скорост и че тя зависи от средата, в която се разпространява; да въведа понятието показател на пречупване; да уточня как се мерят ъгли в оптиката; да обясня какво са пречупването, отражението и поглъщането.

Знам, че поне 90% от изложеното по-горе е било известно от по-рано на поне 90% от вас. Все пак се надявам да не сте скучали през повече от 90% от времето, прекарано в четене на това кратко припомняне.

По-интересното предстои. ;-)

1. Перпендикуляра към една повърхнина се нарича още "нормала".
2. Не е много коректно да говоря за дължина на вълната, когато не съм казал какво е това, но засега не е толкова важно.
3. И за спектър ще си говорим по-нататък, но съвсем скоро.

Вероятно някои от нещата, които разглеждам тук не са ми съвсем ясни. Естетическата страна на въпроса пък въобще няма да я споменавам. Вместо това ще започна с едно далеч по-простичко понятие.

Поляризация

Светлината представлява електромагнитна вълна и като такава притежава една много интересна характеристика, а именно -- поляризация. Тук дори няма да опитам да обясня това явление. За нашите цели е достатъчно да знаем, че съществува неполяризирана¹ и поляризирана светлина. Има различни видове поляризация, в случая не е важно какви са точно. По-важното е, че можем да филтрираме светлина с дадена поляризация. Но по-голямата част от светлината е неполяризирана, тогава това с какво ни помага? Когато светлината се отразява от неметални повърхности (стъкло, вода, сняг, небе и т.н.) тя се поляризира по определен начин. Значи ако филтрираме светлината с въпросната поляризация, ще премахнем досадните отблясъци от стъклата на колите или от локвите, или пък от преспите сняг.

Точно тук идват на помощ поляризиращите очила. Те имат в стъклата си поляризационен филтър, който е така направен (правилният термин е "завъртян"), че да премахва най-често срещаните отблясъци. Това облекчава много очите в ясен, слънчев ден, когато всичко наоколо блести та се къса. Поляризиращите очила са особено полезни при шофиране, защото по и около пътя обикновено има много отблясъци, а човек няма накъде да отмести поглед.

UV защита

Поляризиращите свойства са много полезни, но ако има нещо, което е наистина важно за едни слънчеви очила, това е защитата от ултравиолетово (UV) лъчение. Защо?

UV лъчите притежават голяма енергия, понеже имат висока честота. Голямата енергия пък им позволява да вършат поразии като например да причиняват тен, изгаряне, рак на кожата, различни увреждания на ретината и други подобни неприятни неща. Нормално зениците на човек са достатъчно затворени, за да предпазват сравнително добре ретината от вредното UV лъчение. Когато обаче човек сложи пред очите си тъмни очила, зениците му се отварят, за да компенсират недоимъка на светлина. Ако очилата не филтрират UV лъчите, заради по-отворената зеница, ретината се оказва по-изложена на вредното UV лъчение, отколкото ако тъмните очила ги няма. Това е една добра причина UV защитата на слънчевите очила да е толкова важна.

За съжаление не е лесно човек да провери каква UV защита предлагат очилата му и му остава единствено да вярва на това, което производителят е написал. Всъщност, самата проверка за UV защита е елементарна, стига човек да има достъп до спектрофотометър. Уви, не всеки има такава апаратура вкъщи. Поради тази причина преди време обикалях оптиките в търсене на някоя, в която могат да направят такава проверка. Нямах успех тогава, но бих бил благодарен на някой, ако случайно знае, да сподели информация.

Заключение

Защитата от UV лъчение е жизнено важна за едни слънчеви очила и още повече за очите, пред които са сложени. Ако очилата нямат такава, по-добре е да не се използват. Тъй като не е лесна проверката за наличието на подобна защита, трябва да се вярва на производителя. Тоест, очилата "куче марка" не са добра идея. От друга страна лесно се вижда дали очилата притежават поляризиращи свойства. Но ако са поляризиращи, това в никакъв случай не е гаранция, че филтрират достатъчно добре UV лъчението.

Edit

Изглежда, навремето не съм търсил достатъчно упорито за оптика, в която да правят проверка на очила за защита от UV лъчение. Сега не е толкова трудно да се намери такава. Гугъл е услужлив и казва къде има.

1. По-точното понятие е "случайно поляризирана"