La domanda su come la luce viaggia attraverso lo spazio è uno dei perenni misteri della fisica. Nelle spiegazioni moderne, è un fenomeno ondulatorio che non ha bisogno di un mezzo attraverso il quale propagarsi. Secondo la teoria quantistica, si comporta anche come una raccolta di particelle in determinate circostanze. Per la maggior parte degli scopi macroscopici, tuttavia, il suo comportamento può essere descritto trattandolo come un'onda e applicando i principi della meccanica ondulatoria per descriverne il movimento.
Vibrazioni elettromagnetiche
A metà del 1800, scozzese il fisico James Clerk Maxwell ha stabilito che la luce è una forma di energia elettromagnetica che viaggia in onde. La questione di come riesce a farlo in assenza di un mezzo è spiegata dalla natura delle vibrazioni elettromagnetiche. Quando una particella carica vibra, produce una vibrazione elettrica che induce automaticamente una magnetica - i fisici spesso visualizzano queste vibrazioni che si verificano in piani perpendicolari. Le oscillazioni accoppiate si propagano verso l'esterno dalla sorgente; nessun mezzo, eccetto il campo elettromagnetico che permea l'universo, è richiesto per condurli.
Un raggio di luce
Quando una sorgente elettromagnetica genera luce, la luce viaggia verso l'esterno come una serie di sfere concentriche distanziate secondo la vibrazione della sorgente. La luce prende sempre il percorso più breve tra una fonte e una destinazione. Una linea tracciata dalla sorgente alla destinazione, perpendicolare ai fronti d'onda, è chiamata raggio. Lontano dalla sorgente, i fronti d'onda sferici degenerano in una serie di linee parallele che si muovono nella direzione del raggio. La loro spaziatura definisce la lunghezza d'onda della luce, e il numero di tali linee che passano un dato punto in una determinata unità di tempo definisce la frequenza.
La velocità della luce
La frequenza con cui una fonte di luce vibra determina la frequenza e la lunghezza d'onda della radiazione risultante. Ciò influenza direttamente l'energia del pacchetto d'onda - o scoppio di onde che si muovono come un'unità - secondo una relazione stabilita dal fisico Max Planck nei primi anni del 1900. Se la luce è visibile, la frequenza della vibrazione determina il colore. La velocità della luce non è influenzata dalla frequenza vibratoria, tuttavia. Nel vuoto, è sempre 299.792 chilometri al secondo (186, 282 miglia al secondo), un valore denotato dalla lettera "c". Secondo la Teoria della Relatività di Einstein, nulla nell'universo viaggia più veloce di questo.
Rifrazione e arcobaleni
La luce viaggia più lentamente in un mezzo di quanto non faccia nel vuoto, e la velocità è proporzionale a la densità del mezzo. Questa variazione di velocità fa sì che la luce si piega all'interfaccia di due media - un fenomeno chiamato rifrazione. L'angolo a cui si piega dipende dalla densità dei due media e dalla lunghezza d'onda della luce incidente. Quando la luce incidente su un mezzo trasparente è composta da fronti d'onda di diverse lunghezze d'onda, ogni fronte d'onda si piega con un'angolazione diversa, e il risultato è un arcobaleno.
