|
Dagens Science : Lyset |
10:10:58 |
 For oven over alting, stråler moder sol. Den største lysgiver i solsystemet!
Danskeren Ole Rømer (1644-1710) fandt ud af, at lyset har en endelig hastighed.
Et prisme spreder en stråle af hvidt lys.
Regnbue formation.
Regnbue Østersøen, Ystad 2022.
En dobbelt regnbue med spejlvendte farver i den indre og ydre bue med et mørkt område, Alexanders mørke bånd, imellem de to buer.
Farver - Bølgelængde vs. frekvens.
Lysets brydningsindeks og hastighed i forskellige medier.
Øverst: Kontinuert spektrum.Nederst: Linjespektrum (emissionsspektrum for brint). 
Illustration af forskellige farvetemperaturer.
Tidszonernes verdenskort. |
Videnskab om: Lyset 😉
Indholdsfortegnelse :Lyset ?Solen som lyskilde Elektromagnetisk stråling Historie Lysets egenskaber Hastighed Brydning Ny Lys-forskning Lene Vestergaard Hau - Bremser lyset Regnbuer Optisk fænomen Primære og sekundære regnbuer Lyskilder Måling af lys Lysstyrke (SI-enhed: candela) Belysning (SI-enhed: lux) Lysstrøm (SI-enhed: lumen) Farvetemperatur Solen og tidszonerne Baggrund Danmark og tidszonesystemet Nul meridianen Datolinjen Lægmands viden Tidszonetabel
Lyset ? 🔝Lys betegner sædvanligvis den del af det elektromagnetiske spektrum som er synligt for det menneskelige øje ved hjælp af synssansen, kaldet synligt lys. Det er normalt defineret som elektromagnetisk stråling med bølgelængder mellem 400 og 700 nanometer, det vil sige mellem det infrarøde og det ultraviolette.Solen som lyskilde 🔝Den væsentligste kilde til lys på Jorden er solen. Sollys tilvejebringer den energi som grønne planter anvender til at producere sukker, hvilket frigør energi for andre levende væsener, når de fordøjer dem. Historisk har en anden vigtig lyskilde for mennesker været ild, fra lejrbål til moderne petroleumslamper. Dette blev erstattet af den elektriske lampe, da elektriciteten blev almindelig udbredt.Elektromagnetisk stråling 🔝Indenfor fysik betegner lys undertiden elektromagnetisk stråling af en hvilken som helst bølgelængde, hvad enten den er synlig eller ej. I denne betydning er gammastråler, røntgenstråler, mikrobølger og radiobølger også lys. Som alle typer lys udsendes og absorberes synligt lys som små "pakker" kaldet fotoner og udviser både bølge- og partikelegenskaber. Dette kaldes partikel-bølge-dualiteten. Studiet af lys, kendt som optik, er et vigtigt forskningsområde inden for fysik.Historie 🔝Danskeren Ole Rømer (1644-1710) fandt ud af, at lyset har en endelig hastighedFranskmanden Hippolyte Armand Fizeau var en af de første, der målte lysets hastighed. Indtil langt ind i den moderne tid var det uklart, hvad lys faktisk er. Man troede delvist at lyset udfylder rummet uden tidsforsinkelse, og at man kigger på omgivelserne ved hjælp af "stråler", der udgår fra øjet. Der har dog allerede siden antikken været forestillinger om, at lyset blev udsendt fra lyskilden med en endelig hastighed. Galileo Galilei forsøgte som en af de første seriøst at måle lysets udbredelseshastighed, men uden succes. Dette lykkedes først på basis af Ole Rømers observationer af Jupiters måne Io i 1676. Han beregnede, at lyset var omkring 11 minutter om at bevæge sig 1 astronomisk enhed (afstanden mellem jorden og solen), hvilket nu vides at være 8,3 minutter. Bestemmelsen af lysets hastighed blev i løbet af de næste 200 år mere og mere præcis ved hælp af mere raffinerede metoder, især af franskmændene Fizeau og Foucault. Lysets natur forblev dog uforklaret. I slutningen af det 17. århundrede forsøgte Isaac Newton at forklare lysets udbredelse ud fra eksistensen af små partikler. Dette kunne forklare refleksion, men ikke visse andre optiske fænomener som diffraktion, der entydigt er et bølgefænomen. Samtidig grundlagde Christiaan Huygens og andre bølgeteorien for lys, der først efterhånden blev anerkendt efter Thomas Youngs dobbeltspalte-eksperimenter i begyndelsen af det 19. århundrede. Michael Faraday beviste i 1846 som den første, at lys og magnetisme er to forbundne fysiske fænomener. Han offentliggjorde det, der i dag kaldes faradayeffekten, under titlen On the magnetization of light and the illumination of magnetic lines of force. James Clerk Maxwell formulerede i 1864 inden for elektrodynamik de såkaldte Maxwell-ligninger, der stadig er gyldige i dag, og han forstod, at der måtte eksistere elektromagnetiske bølger. Da disse bølgers forudsagte udbredelseshastighed stemte overens med den allerede kendte lyshastighed, kunne han slutte, at lyset vel måtte være en elektromagnetisk bølge. Han formodede (som de fleste fysikere dengang), at denne bølge ikke kunne eksistere i det tomme rum, men behøvede et udbredelsesmedium. Dette medium, der måtte udfylde hele verdensrummet, blev betegnet som æter. Efterhånden som man fik opbygget den elektromagnetiske lysteori lod det ved udgangen af det 19. århundrede til, at næsten alle spørgsmål angående lys var blevet besvaret. Ganske vist kunne man ikke eftervise den postulerede æter (se Michelson-Morley eksperimentet), hvilket i sidste ende åbnede døren for den specielle relativitetsteori. Desuden lod bl.a. den fotoelektriske effekt til at modsige lysets bølgenatur. Af den grund opstod en radikal ny måde at betragte lys på, der blev grundlagt af Max Planck og Albert Einstein ud fra teorien om at energien var kvantiseret. Central i denne teori er partikel-bølge-dualiteten, hvor lyset ikke længere beskrives som enten bølge eller partikel, men derimod som kvanteobjekt. Denne dualitet forener bølge- og partikelegenskaberne uden at være hverken det ene eller det andet. Deraf opstod i begyndelsen af det 20. århundrede kvantefysikken og senere kvanteelektrodynamikken, der i dag udgør vores forståelse af lysets natur. Lysets egenskaber 🔝De primære egenskaber ved synligt lys er intensitet, udbredelsesretning, frekvens eller bølgelængde og polarisering.Lys har såvel bølgeegenskaber som partikelegenskaber. Bølgeegenskaberne viser sig bl.a. i situationer hvor lyset afbøjes, f.eks. i et optisk gitter. Afbøjningen i et gitter beskrives bedst ved at tænke på lys som bølger, der kan interferere. Partikelegenskaberne viser sig bl.a. i situationer hvor lys absorberes eller emitteres, f.eks. ved vekselvirkning med et atom, et molekyle eller et faststof. Vekselvirkninger mellem lys og stof beskrives bedst ved at tænke på lys som partikler, såkaldte fotoner. Hastighed 🔝Elektromagnetisk stråling, og dermed også synligt lys, udbreder sig med en endelig hastighed. Alle iagttagere i jævn indbyrdes bevægelse vil ifølge den specielle relativitetsteori måle den samme hastighed, der i vakuum er 299.792.458 meter per sekund.I 1676 opdagede Ole Rømer, at lyset "tøvede" ved observationer over en lang periode af Jupiter og dens måne Io. Franskmanden Fizeau (1819 – 1896) udførte som en af de første en måling af lysets hastighed i 1849. Han tog en kraftig og meget smal lysstråle, som sendtes ind mellem to tænder på et tandhjul og reflekteredes fra et spejl næsten 9 km væk. Spejlet anbragtes således, at lysstrålen reflekteredes præcist tilbage modsat sin oprindelige retning og ramte mellem de samme to tænder på tandhjulet. Efterfølgende bragtes tandhjulet til at rotere. Da strålen med jævne mellemrum blev afbrudt af hjulets tænder, blev lyset sendt af sted i korte glimt. Et ekstra halvgennemsigtigt spejl muliggjorde at se de tilbagekastede lysglimt. På et tidspunkt roterede tandhjulet så hurtigt, at hvert lysglimt ikke nåede at komme tilbage til samme hul i tandhjulet, men bremsedes af den efterfølgende tand, så der ikke længere kunne ses tilbagekastet lys mellem tænderne. Ud fra tandhjulets omdrejningsfrekvens og antallet af tænder samt lysets tilbagelagte afstand kunne lysets hastighed bestemmes. Vi ved dog nu, at den afveg cirka 5 procent fra den faktiske værdi, og allerede i 1728 havde James Bradley bestemt lysets hastighed med 1 procents nøjagtighed ved hjælp af aberrationen af lyset fra stjernerne. Lysets hastighed blev dog bestemt nøjagtigere året efter i 1850 af Léon Foucault efter en lignende metode. Brydning 🔝Studiet af lysets opførsel under forskellige omstændigheder benævnes optik. Når lys f.eks. passerer gennemsigtige medier som luft, vand eller glas, vil lysets hastighed være mindre end i vakuum, svarende til en mindre bølgelængde. Som konsekvens heraf vil lyset brydes, dvs. ændre retning. Brydningsindekset er et mål for stoffets evne til at bryde lyset. Per definition er brydningsindekset forholdet mellem lysets hastighed i vakuum og lysets hastighed i mediet.Ny Lys-forskning 🔝Lene Vestergaard Hau - Bremser lyset 🔝Lene Vestergaard Hau (født 13. november 1959) er en dansk forsker, med Ph.d. fra fysikstudiet på Aarhus Universitet. Hun startede som forskerassistent i USA og har efterfølgende arbejdet for Rowland Institute for Science, der er et forskningscenter i Boston. Hun er nu ansat som professor ved Harvard Universitet ved instituttet for fysik.Den 18. februar 1999 vakte hun international opsigt, da det lykkedes hende og hendes forskerteam at sænke lysets hastighed drastisk. Det lykkedes at bremse lysets hastighed fra 300.000 kilometer/sekund til 17 meter/sekund. Det blev gjort ved at køle en lille cigarformet sky af natriumatomer ned til en temperatur få milliontedele grad varmere end det absolutte nulpunkt på 0 Kelvin, -273,15 grader Celcius. I 2001 lykkedes det hende og hendes forskerteam at oplagre/stoppe en lyspuls, i en nedkølet sky af natriumatomer, ved hjælp at en koblingslaser. Når koblingslaseren lidt senere tændtes, genoptog den tidligere oplagrede lyspuls sin rejse ud af skyen. Den nedkølede sky af natriumatomer, anvendt ved begge forsøg, er faktisk i en ny fasetilstand ud over de kendte; fast, flydende, gasform, plasma, (neutronstjerne?, kvarkstjerne?) – nemlig Bose-Einstein kondensat. Atomerne i Bose-Einstein kondensatet (BEC) er kvantefysisk sammenfiltret, hvilket bl.a. har den effekt, at hele skyen virker som et stort atom. Regnbuer 🔝Optisk fænomen 🔝En regnbue er et optisk fænomen; en "lyseffekt", som skabes på himlen, når lys fra Solen rammer små vanddråber i luften, f.eks. faldende regn. Sådanne svævende vanddråber har facon omtrent som en kugle – jo mindre de er, desto mere perfekt kugleform har de. Disse kuglerunde dråber bryder, eller "afbøjer" lyset på samme måde som et optisk prisme ved en proces, der kaldes refraktion. Og derudover opfører indersiden af dråbernes overflader sig til en vis grad som små spejle, (et fænomen der kaldes for intern refleksion), der kaster lyset tilbage i nogenlunde den retning, det kom fra – det er derfor, man altid ser regnbuer i retningen direkte væk fra solen.Lys kan beskrives som et bølgefænomen, og "hvidt" lys, som det Solen udsender, består af lysbølger med forskellige længder. Det brydes, eller afbøjes, i forskellige vinkler afhængigt af bølgelængden (se optisk dispersion), så selv om solstrålerne ankommer omtrent parallelle, sender dråberne de forskellige bølgelængder tilbage i forskellige retninger. Lysets bølgelængder svarer til det, vi oplever som farver: røde farver har de længste bølgelængder, mens blå og violet svarer til de korteste. Ind imellem kommer den rækkefølge af farver, som kendes fra netop regnbuen: Rød orange gul grøn turkis blå indigo violet Primære og sekundære regnbuer 🔝Lyset kan brydes på to forskellige måder, og dette er grunden til, at man ind imellem ser to regnbuer sammen: En lille og tydelig, kaldet den primære regnbue, og en lidt større, men mindre tydelig, såkaldt sekundær regnbue.På den nederste tegning i illustrationen til venstre ses en observatør (9), som ser ind i en zone af atmosfæren (12) der "bærer" på utallige, bittesmå og derfor kugleformede vanddråber. Sollyset (6) træffer vanddråberne, som bryder det hvide sollys op i farver og sender lys i forskellige farver ud i lidt forskellige retninger. Lyskilder 🔝Der findes mange kilder til lys. De mest almindelige lyskilder er termiske: et legeme med en given temperatur udsender et karakteristisk spektrum af sortlegeme-stråling. En simpel termisk kilde er sollys, strålingen fra solens kromosfære ved omkring 6000 kelvin (5730 °C) topper i den synlige del af det elektromagnetiske spektrum og groft regnet 44% af sollyset, der når jorden er synligt. Et andet eksempel er glødelamper, der udsender cirka 3-6% af deres energi som synligt lys og resten som infrarød. Tidligere i historien var en almindelig termisk lyskilde flammerne fra glødende faste partikler (f.eks. brænde eller stearinlys), men de udsender også det meste af deres energi som infrarød stråling og kun en smule i det synlige spektrum. For relativt kolde legemer som mennesker topper sortlegeme-spektret i dyb infrarød ved en bølgelængde på omkring 10 mikrometer. Ved højere temperaturer topper spektret ved kortere bølgelængder, først rød, så hvid og til slut en blåhvid farve, inden toppen bevæger sig ud af den synlige del af spektret og ind i den ultraviolette del. Disse farver kan ses, når metal opvarmes til rødglødende eller hvidglødende. Blåhvid termisk emission ses ikke ofte, bortset fra i stjerner. Den ofte sete renblå farve i flammen af gas eller i en svejseflamme skyldes en molekylær emission og ses ikke i stjerner.Atomer emitterer og absorberer lys med en karakteristisk energi. Dette skaber "emissionslinjer" i hvert atoms spektrum. Emissionen kan være spontan som i lysdioder, polarlys, gasudladningslamper (neonlamper og neonskilte, kviksølvlamper osv.) og flammer (lys fra selve den varme gas, f.eks. udsender natrium i en gasflamme et karakteristisk gult lys). Emissionen kan også være stimuleret som i en laser eller en maser. Acceleration af frie ladede partikler (f.eks. elektroner) kan frembringe synligt lys, f.eks bremsestråling. Partikler, der bevæger sig gennem et medium hurtigere end lysets hastighed i det medium (er ikke endeligt bekræftet) kan frembringe synlig tjerenkovstråling. Visse kemiske reaktioner skaber synligt lys. I levende organismer kaldes dette for bioluminescens, f.eks hos ildfluer. Visse stoffer frembringer lys, når de er udsat for mere energirig stråling ved en proces kendt som fluorescens. Nogle stoffer udsender lys efter excitation med mere energirig stråling. Dette er kendt som fosforescens. Fosforescerende materialer kan også exciteres ved at bombardere dem med subatomare partikler. Denne mekanisme anvendtes førhen i fjernsyn og computerskærme med katodestrålerør. Måling af lys 🔝Nogle relevante størrelser for studiet af lysfænomener:Lysstyrke (SI-enhed: candela) 🔝SI-enheden for lysstyrke er candela (symbol cd), der er defineret således, at 1 candela er lysstyrken i en given retning af en lyskilde, som udsender monokromatisk lys med en frekvens på 540 × 1012 Hz, og hvis strålingsstyrke i denne retning er 1/683 W/sr.Belysning (SI-enhed: lux) 🔝lux (symbol: lx) er SI-enheden for belysningsstyrke og måler lysflux per arealenhed. En lux kan skrives som 1 lumen per kvadratmeter.Lysstrøm (SI-enhed: lumen) 🔝En lumen (symbol lm) er SI-enheden for lysstrøm. Den svarer til den lysstrøm, som en lyskilde med lysstyrken én candela i alle retninger udsender i rumvinklen en steradian.
Farvetemperatur 🔝Farvetemperatur er et begreb, hvormed man tildeler en given farve en temperatur i kelvin-skalaen (K). Temperaturen, der tildeles en given farve, er den temperatur et sort legeme skal opvarmes til for at afgive lys med denne farve.Her er nogle eksempler på farvetemperaturer af forskellige lyskilder: 1200 K : et stearinlys 1800 K : sollys ved solopgang 2800 K : en almindelig glødepære (ikke sparepære) 5000 K : gennemsnitligt sollys 6000 K : kraftigt sollys 7000 K : lettere overskyet himmel 8000 K : overskyet himmel 10000 K : kraftigt overskyet himmel 11000 K : blå himmel set i skyggen Solen og tidszonerne 🔝En tidszone er et geografisk område på Jorden med samme zonetid (klokkeslæt). Begrebet blev indført ved internationale konventioner.Det hyppigst benyttede tidszonesystem er UTC (næsten det samme som Greenwich Mean Time), hvor nulpunktet er nulmeridianen, der går igennem Greenwich i England. Herfra går der 24 tidszoner ud med 15 graders mellemrum. Hver zone repræsenterer en time. Når klokken er 6.00 i 0-meridianen, så er klokken i Danmark 7.00, da Danmark ligger i tidszonen lige før, og da solen står op i øst, når den Danmark en time før den når England. Selvom der er 24 matematiske tidszoner, så er det reelle antal op imod 36, da nogle lande regner med både halve og kvarte timer. På den modsatte side af Jorden i forhold til Greenwich går datolinjen. Det er altså her, nytåret indtræder først på året. Baggrund 🔝Før indførsel af tidszonerne brugte man lokal tid, hvor solens placering på himlen afgjorde, hvad klokken var: Når solen stod i stik syd, var klokken 12 – på dét sted.Det system kunne man ikke leve med, da jernbanerne kom frem. Deres køreplaner – som også fastlagde, hvor togene skulle krydse hinanden – var lagt med minuttal og kunne ikke styres, hvis man på hver station skulle stille klokken til en ny tid. Man måtte altså have en fælles jernbanetid, helst for et helt land. Danmark og tidszonesystemet 🔝Fællestiden startede på nationalt plan. I Danmark vedtog man i 1858 at anvende Københavns lokaltid som jernbanetid, men først 22 år senere blev det en nationaltid for alle.For trafik og kommunikation over landegrænserne var det stadig upraktisk, at hvert land havde sit eget tidssystem. Så i 1884 samledes 25 lande til Prime Meridian Conference i Washington, som udviklede det nuværende tidszonesystem. Danmark vedtog i 1893 at tiltræde det internationale tidszonesystem fra 1. januar 1894. Danmarks tidscentrum var nu ikke længere København, men Bornholm. De eneste danske byer, der gennemskæres af meridianen 15° Ø, er Østermarie og Pedersker. Ved Slusegård syd for Pedersker – 200 m fra Bornholms sydkyst – er meridianen markeret med en sten, der samtidig viser meridianens skæring med den 55. breddegrad, altså et geografisk knudepunkt eller konfluenspunkt. De steder står solen altså stadig i syd kl. 12, men kun den del af året, hvor der er normaltid – kl. 13, når der er sommertid. Nul meridianen 🔝Meridianen i Greenwich, London, opdeler kloden i to halvkugler - øst og vest - der her i linjen mødes på 0o længde. Beslutningen om denne såkaldte nulmeridian blev taget i 1884, under Det Britiske Imperiums storhedstid, og den markerer stadig i dag universel standardtid.Datolinjen 🔝Den internationale datolinjeHvis man rejser Jorden rundt og til stadighed stiller sit ur efter den lokale tidszone og samtidig stiller sin kalender en dag frem, hver gang uret viser midnat, vil kalenderen ved hjemkomsten afvige med en dag fra den korrekte dato. Det er derfor nødvendigt at indføre en linje, den internationale datolinje, hvor datoen skifter. (Phileas Fogh syndromet) Ved passage fra vest mod øst mindskes datoen med én dag, mens den øges med én ved passage fra øst mod vest. Datolinjen forløber hovedsagelig langs 180°-meridianen midt gennem Stillehavet, men med buer uden om visse øer og sammenhængende landområder. Lægmands viden 🔝Solen står op i øst! Altså har vi solen tidligere end Greenwich-england, nemlig ca. en time før dem. Det vil sige, at når klokken er 12 i London, ja så er den 13 i København, 14 i Helsinki og 15 i Moskva osv., men kun 11 i Cape Verde og på Azoerne. Og sådan er det hele vejen rundt om kloden 😀Tidszonetabel 🔝Solens indflydelse på klokkeslettet - forskellige steder på Jorden.
|
|
