Světlo

a rychlost světla ve vakuu c</sub> je konstanta. V optice se také používá kruhová frekvence ω, která je spojena s frekvencí f vztahem ω = 2πf. Vlnová délka viditelného světla ve vakuu tedy je 400 nm až 800 nm.

Přesněji řečeno, tento rozsah je viditelným světlem pro člověka. Některé druhy živočichů vnímají rozsah jiný - například včely jej mají posunut směrem ke kratším vlnovým délkám (ultrafialové záření), naopak někteří plazi vnímají i infračervené záření.

Rozsah vnímaných vlnových délek je dán především tím, že v oblasti viditelného světla je maximum elektromagnetického záření ze Slunce dopadajícího na zemský povrch, a tudíž je v tomto rozsahu nejlépe vidět.

Šíření světla

Povahu světla se pokoušeli vědci vystihnout dlouhou dobu. Např. Platon si myslel, že lidské oči jsou aktivními zdroji světla. Jeho pojetí optiky bylo přesně inverzní k dnešní paprskové optice (stejné paprsky, ale opačný směr pohybu světla). Jedním z prvních fyziků v dnešním slova smyslu byl Newton, který chápal světlo jako proud částic v mechanickém smyslu. Teorie ale byla v rozporu s experimentem, neboť podle této teorie docházelo k lomu světla od kolmice dopadu při průchodu světla z opticky řidšího prostředí do opticky hustšího (typicky vzduch-sklo). Vlnová teorie světla dokázala podat vysvětlení i mnoha jiných jevů. Částicový pohled na světlo byl znovu oživen až kvantovou fyzikou.

Od poloviny 20. století je platná teorie o dualitě částice a vlnění. Světlo se tudíž chová jako vlna, která nese kvantované množství energie.

Lom světla

Paprsky světla se při přechodu z jednoho prostředí do jiného lámou, například když světlo dopadá šikmo na průhledný materiál, jako je sklo nebo voda. Různé materiály zpomalují světlo rozdílně, takže lom nastává vždy pod jiným úhlem.

Rychlost světla

Rychlost světla ve vakuu

Rychlost světla v dokonalém vakuu c byla měřena mnohokrát v historii. Jedno z prvních zdokumentovaných měření vedoucích k přibližnému výsledku provedl Dán Ole Römer roku 1676. V souvislosti s problematikou navigace mořeplavby pozoroval pohyb planety Jupiter a jeho měsíce Io teleskopem, přičemž zaznamenal odchylku ve zdánlivé oběžné době Io. Měřil čas čtyřiceti oběhů Io při pohybu Země směrem k Jupiteru a od něj. Zjistil rozdíl 22 minut a tento správně přičetl konečné rychlosti světla. Ač Römer s tímto zjištěním dále nepracoval, mnozí z této hodnoty později vypočítali rychlost světla. Prvním byl význačný holandský matematik, fyzik a astronom Christian Huygens.

První úspěšné měření pozemskými prostředky provedl Hippolyte Fizeau v roce 1849. Fizeau poslal svazek světla na zrcadlo, kterému do cesty vložil točící se ozubené kolo. Při známé rychlosti otáčení kola vypočetl rychlost světla na 313 000 km/s.

Další měření bylo provedeno po přistání na Měsíci : po umístění zrcadla na jeho povrch se změřil čas, za který se odražený paprsek laseru vrátil zpět na Zemi.

Vzhledem k tomu, že rychlost světla ve vakuu je univerzální konstantou, jejíž velikost je určena hodnotou c=299 792 458 m/s, a čas lze měřit v současné době s vysokou přesností, je jednotka délky metr definována právě pomocí rychlosti světla ve vakuu.

Rychlost šíření v jiných prostředích

V jiném prostředí se světlo šíří rychlostí v, která je vždy nižší než c. Podíl těchto rychlostí je roven indexu lomu daného prostředí n, tj. n = c/v. V důsledku toho dochází na rozhraní látek s různými hodnotami n k lomu světla.

Přesněji řečeno, toto se týká prostředí bez disperze, tj. případů, kdy index lomu nezávisí na vlnové délce. V prostředí s disperzí je třeba rozlišovat fázovou a grupovou rychlost: fázová rychlost popisuje rychlost šíření ploch se stejnou fází, zatímco grupová rychlost se vztahuje k obálce amplitudy, neboli k rychlosti šíření signálu (informace).

Je-li závislost indexu lomu na kruhové frekvenci n(ω), pak fázová rychlost má hodnotu:

\(v(\omega) = \frac{c}{n(\omega)}</math>

a grupová rychlost je rovna:

\(v_g(\omega) = \frac{c}{n(\omega)+\omega \frac{dn}{d\omega}}</math>.

Grupová rychlost nemůže přesáhnout hodnotu c ve shodě s teorií relativity. Naproti tomu fázová rychlost, která není spojena s přenosem informace, může nabývat téměř libovolných hodnot, vyšších než c nebo dokonce záporných (viz též index lomu).

Šíření světla ve hmotě můžeme vnímat jako opakované pohlcovaní a vyzařovaní fotonů, a to tak, že po ozáření se dostane atom do excitovaného stavu, ve kterém setrvá pouze zlomek času a následně foton zpět vyzáří, ten následně pohlí další atom atd.... Světlo se pohybuje pomaleji, protože atomy setrvávájí v excitovaném stavu určitý čas. Světlo se tudíž ve hmotě šírí rychlostí stejnou jako ve vákuu, ale je neustále pohlcováno a vyzařováno atomy hmoty.