Lysets Mestre

1. Lysets Mestre – en historie om lysets berømthederfra Euklid til Einstein

2. Begyndelsen og Big Bang • Euklid – spejlloven • Alhazen – lysets oprindelse • Snell & Descartes - brydningsloven • Fermats princip • Ole Rømer – Lysets tøven • Newton – lysets spektrum • Huygens princip • Youngs eksperiment • Maxwell – elektromagnetiske bølger • Bohrs atommodel • Einstein og lyset

3. I Begyndelsen skabte Gud Himmelen og Jorden. Og Jorden var øde og tom, og der var Mørke over Verdensdybet. Men Guds Ånd svævede over Vandene. Og Gud sagde: "Der blive Lys!" Og der blev Lys. Og Gud så, at Lyset var godt, og Gud satte Skel mellem Lyset og Mørket, og Gud kaldte Lyset Dag, og Mørket kaldte han Nat. Og det blev Aften, og det blev Morgen, første Dag.Sådan indledes 1. Mosebog. Begyndelsen

4. Big Bang

5. Religion eller videnskab 1. Mosebog fortæller skabelsesberetningen, som finder sted over 7 dage. Men ordet ”dag” findes ikke i det hebræiske manuskript. I stedet for ”dag” burde der stå ”periode”, som er en mere korrekt oversættelse. På dette område er der således ingen konflikt mellem religion og videnskab. The Big Bang fandt sted for cirka 14.000.000.000 år siden. Det tog ca. 300.000 år inden Universet var tilstrækkelig afkølet og tyngdekraften tilstrækkelig svag til at lyset kunne undslippe. Der var altså ingen lys fra begyndelsen – kun mørke, ganske som i skabelsesberetningen. Derfor vil vi aldrig kunne se altings begyndelse – uden lyset er vi blinde.

6. Euklid – spejlloven De tidligste tanker om lysets natur findes hos de græske filosoffer. I år 280 f. Kr. fandt Euklid, at lyset udbreder sig retlinet og han formulerede spejlloven: Den indgående og udgående lysstråle ligger i et plan med spejlets normal og indfaldsvinklen er lig udfaldsvinklen. Men Euklid mente at lys er stråler, som udgår fra øjet. Det måtte udbrede sig med uendelig stor hastighed, idet man øjeblikkelig kan se fjerne genstande når man åbner øjnene. I år 60 e. Kr. fremsatte Heron fra Alexandria den generelle hypotese, at lys udbreder sig efter den korteste afstand mellem to punkter.På dette grundlag kunne han udlede Euklids resultater.

7. Alhazen – lysets oprindelse Omkring år 1000 var tyngdepunktet for naturvidenskab flyttet til den arabiske verden, hvor Alhazen i Bagdad skrev en række bøger om optik. Alhazen var den første som indså, at lyset opstår uden for mennesket, og at lysstrålerne kastes ind i øjnene via de genstande de rammer. Alhazen fremsatte også en hypotese om, at lyset har en endelig hastighed, og at det bevæger sig langsommere i tætte materialer. Alhazen = Abu Ali Hasan Ibn Al-Haitham

8. Snell & Descartes - brydningsloven Det næste store gennembrud skete i 1621, hvor hollænderen Willebrord Snell fandt hvordan lys brydes i et materiale. Dette er Snells lov eller brydningsloven, som demonstreres på næste side. René Descartes formulerede også brydningsloven, men mente at lyset udbreder sig øjeblikkeligt.

9. Fermats princip Franskmanden Pierre de Fermats var ikke enig i Descartes teorier. Han mente som Herons og Alhazens at lysets har en endelig hastighed. I 1657 formulerede han princippet om, at lyset følger den vej, der tager kortest tid. På den baggrund kunne Fermats udlede loven om lysets retlinede udbredelse, spejlloven og brydnings-loven, som til sammen er grundlaget for den geometriske optik.

10. Ole Rømer – Lysets tøven I 1676 udførte Ole Rømer en række målinger af omløbstider for Jupiters måner. Han observerede, at der var uregelmæssigheder i omløbstiderne og forklarede dette med lysets tøven, idet afstanden mellem Jorden og Jupiter varierer. Ole Rømer fandt at det tager lyset mellem 8 og 11 minutter at nå fra Solen til Jorden. I dag ved vi at den præcise tid er 8 min. 20 sek. Lysets hastighed er 299.792.458 m/s, men normalt regner vi blot med 300.000 km/s.

11. Newton – lysets spektrum Isaac Newton var 1600-tallets store mester inden for mekanisk fysik, men udførte også betydelige arbejder i optik. Han opfandt bl.a. spejlteleskopet og opdagede, at hvidt lys er en blanding af lys i alle farver. I 1704 publicerede Newton sit værk ”Opticks – or a treatise of the reflexions, refractions, inflexions and colours of light”. Newton var en stærk fortaler for, at lys er partikler.

12. Huygens princip Hollænderen Christiaan Huygens var modstander af Newtons ideer om lyspartikler. I 1690 publicerede han Traité de la Lumière, hvor han beskrev lysets natur som bølger. Huygens princip siger, at ethvert punkt i en lysbølge kan forklares som små bølger, der tilsammen danner en bølgefront. Huygens teori gav en smuk forklaring på lysbrydning, diffraktion, interferens og refleksion – og banede vejen for tolkning af lysets polarisation og dobbeltbrydning.

13. Youngs eksperiment I 1801 udførte den engelske læge Thomas Young imidlertid et afgørende eksperiment. Han viste, at lys udviser interferens, der er et entydigt bølgefænomen, og han bestemte bølgelængden til cirka 0,0005 mm. Det kunne nu vises, at hele den geometriske optik er en konsekvens af bølgeteorien.

14. Maxwell – elektromagnetiske bølger James Clerk Maxwell blev den første, som forbandt lys og elektromagnetiske bølger. Maxwells ligninger er fremragende teoretisk arbejde baseret på arbejder af Faraday, Reimann og Gauss. I 1862 skrev Maxwell: ”vi kan næppe undgå konklusionen, at lys består af transverse bølger i samme medium, som er årsag til elektriske og magnetiske fænomener.” Hertz var den første til at eftervise Maxwells teorier eksperimentelt ved hjælp af et oscilloskop.

15. Bohrs atommodel Niels Henrik David Bohr er den mest berømte dansker efter H.C. Andersen. I 1913 fremsatte han sin atommodel, som angiver at elektronerne følger bestemte baner om kernen, og der er derfor et bestemt antal energitilstande for et givent atom. Dette kunne forklare en række atomare lysfænomener. Bohrs komplementær princip indeholdt at lyset kunne betragtes både som bølger og som partikler – afhængigt af hvilket fænomen man betragter. Bohrs korrespondance princip byggede bro mellem klassisk fysik og kvantefysik.

16. Einstein og lyset I 1905 beskrev Albert Einstein lyset som små pakker af energi, som han kaldte fotoner. Forskelligt lys har forskellige fotoner, og nogle fotoner kan slå elektroner ud af bestemte metaller. Hvis fotonerne kan slå mange elektroner løs, så de vandrer efter hinanden, danner elektronerne det, vi kalder elektrisk strøm. Einstein forklarede således den fotoelektriske effekt. I 1917 udviklede Einstein teorien, som resulterede i udvikling af laserlys. Se en animation af fotoner.