Světlo totiž vůbec není jednoduché. Je to fascinující, komplexní vlnění, které se řídí pravidly popírajícími naši každodenní zkušenost. Dnes vás vezmu na cestu do hlubin světelného paprsku. Zjistíme, co že se to vlastně prostorem vlní, a dostaneme se až k bodu, kdy zjistíte, že pro samotné světlo vůbec neexistuje čas.

Elektromagnetické vlnění: Motor, který si sám před sebou staví dálnici

Když hodíte kámen do rybníka, vidíte vlny. Vlní se voda. Když na někoho mluvíte, tvoříte zvukové vlny. Vlní se vzduch. Náš mozek je zvyklý, že každá vlna potřebuje nějaké prostředí (médium), ve kterém by se mohla šířit. Jak je tedy možné, že k nám světlo ze Slunce dolétne skrz naprostou prázdnotu a vakuum vesmíru?

Odpověď zní: Světlo žádné médium nepotřebuje. To, co se v něm vlní, nejsou atomy ani molekuly, ale neviditelná silová pole.

V nedávném článku Jak funguje elektromagnetismus: Spojení elektřiny a magnetismu jednoduše jsem vysvětloval, že elektřina a magnetismus jsou vlastně jedna spojená síla. Pohybující se elektřina vytváří magnetismus a měnící se magnetismus vyrábí elektřinu. Geniální fyzik James Clerk Maxwell zjistil, že světlo nedělá nic jiného, než že tento jev neustále opakuje. Změna elektrického pole vytvoří pole magnetické a to zase zpětně vygeneruje pole elektrické. Tato dvě pole kmitají v dokonalé synchronizaci, kolmo na sebe.

Představte si světlo jako dokonalý stroj. Je to motor i palivo v jednom balení. Nepotřebuje silnici, protože si ji svou vlastní existencí neustále „staví“ těsně před sebou a řítí se po ní prostorem rychlostí 300 000 kilometrů za sekundu.

(Elektromagnetické vlnění: Motor, který si sám před sebou staví dálnici)

Vlastnosti světla a energie: Dva šuplíky, které určují barvu a sílu

Každé elektromagnetické záření v sobě nese energii. Tuto energii si světlo ukládá do dvou pomyslných „šuplíků“, které určují, jak se paprsek bude chovat.

Amplituda (Výška vlny): Tohle je šuplík, který určuje intenzitu nebo jas. Čím vyšší je vlna, tím silnější elektrické a magnetické pole v daném bodě je. Pokud se na to podíváme zblízka, větší amplituda znamená prostě větší dav – letí k nám obrovská hustota fotonů (světelných částic). Je to rozdíl mezi mžouráním malé svíčky a oslepujícím světlem reflektoru.

Frekvence (Rychlost kmitání): Tento šuplík je mnohem zajímavější. Určuje „průraznost“ a barvu záření. Pokud pole kmitají líně a pomalu, nese foton málo energie – takto fungují rádiové vlny, které vám hrají v autě. Když kmitání zrychlíme, dostaneme se k mikrovlnám a infračervenému záření (teplu). Další zrychlení nás dostane do uzoučkého pásma, které dokáže zachytit naše oko – viditelné světlo. A když frekvenci vyženeme do extrému, vlny kmitají tak zběsile, že vzniká rentgenové nebo gama záření, které hravě projde i lidským tělem.

(Vlastnosti světla a energie)

Kvantová povaha světla: Co je to vlastně kvantum a proč se selský rozum hroutí

Klasická fyzika selského rozumu má ráda pořádek: věci jsou buď pevné částice (kuličky), nebo nehmotné vlny (jako zvuk či voda). Jenže když začneme zkoumat světlo na úrovni jeho úplně nejmenších dílků, zjistíme, že mikrosvět na naše škatulky kašle a nastupuje kvantová fyzika.

Než budeme pokračovat, musíme si vysvětlit samotné slovo „kvantum“. Co to vlastně je? V klasickém světě si energii představujeme jako vodu, kterou můžete přelévat v jakémkoliv, i nekonečně malém množství. V mikrosvětě se ale platí výhradně „v hotovosti a přesnými mincemi“. Kvantum je ten nejmenší existující, základní balíček energie. Nemůžete ho rozpůlit. Světlo svou energii předává a přenáší právě v těchto miniaturních, jasně daných balíčcích, kterým říkáme fotony.

Jak detailně rozebírám v článku Kvantová superpozice: Proč hmota neexistuje, dokud se na ni nepodíváte, foton letící z lampy do vašeho oka necestuje jako vystřelená kulička po rovné přímce. Zde se totiž částice a vlna stávají jedním a tím samým (odborně vlnově-korpuskulární dualismus). Foton se pohybuje jako neviditelný „oblak pravděpodobnosti“, který se rozprostře a prozkoumává všechny možné cesty prostorem současně. Elektromagnetická vlna, kterou popsal Maxwell, je v tomto tajuplném mikrosvětě vlastně jen mapou šancí.

Interakce světla s hmotou a dekoherence: Proč něco vidíme a něco nás hřeje

Z obyčejné 60W žárovky u vás v obýváku nevyletí deset, nebo sto fotonů. Každou jedinou sekundu jich vyzáří zhruba trilion trilionů (představte si jedničku a za ní dvacet nul). Je to absolutně nepředstavitelná světelná sprcha, která se řítí všemi směry.

Dokud tyto fotony letí prázdnotou, zůstávají onou rozmazanou vlnou pravděpodobnosti. Co se ale stane, když tato neuvěřitelná kvanta energie ze Slunce nebo z lampy narazí na překážku, třeba na vaši kůži nebo na stůl před vámi?

Dojde k interakci a jevu zvanému dekoherence. Kvantová vlna okamžitě zkolabuje a každý jednotlivý foton se v ten moment projeví v jednom konkrétním bodě. A pak nastane jedna ze dvou možností, díky kterým vůbec dokážeme vnímat svět kolem nás:

1. Pohlcení (Teplo): Foton narazí do atomu ve vaší kůži, zanikne a předá mu veškerou svou energii. Molekuly kůže se tímto „kopancem“ rozvibrují. A jak víme, rychlejší kmitání molekul znamená zvýšení teploty. Ta obyčejná, hřejivá radost ze slunečních paprsků je momentem, kdy fotony předají svou energii a přemění ji na kinetický tanec vašich buněk.

2. Odraz (Zrak): Všechny fotony ale nezaniknou a nepředají svou energii rovnou do tepla. Velká část z nich narazí do stolu, židle nebo stěny a odrazí se od nich pryč. Tohle je ten zázrak, díky kterému vůbec něco vidíme! Tyto odražené fotony vletí do vašeho oka, narazí na sítnici, předají jí svou energii ve formě chemického signálu a váš mozek si řekne: „Aha, hnědý stůl.“

(Interakce světla s hmotou a dekoherence)

Teorie relativity a rychlost světla: Extrémní cestování, při kterém neexistuje čas

Na závěr jsem si nechal tu největší fyzikální třešničku na dortu. Týká se samotné podstaty plynutí času.

V článku Jak Einstein překreslil vesmír: Příběh ohnutého světla a zpomaleného času si můžete přečíst o tom, že pohyb v prostoru a čas jsou spojené nádoby. Představte si, že každý objekt ve vesmíru má jakýsi pevně daný „rozpočet rychlosti“. Tento rozpočet můžete utratit buď za pohyb v prostoru, nebo za pohyb v čase. My, lidé sedící u počítače, se prostorem pohybujeme pomalu, a tak většinu svého rozpočtu utrácíme za cestování v čase (stárneme).

Ale foton? Foton se řítí prostorem maximální povolenou rychlostí vesmíru (c). Svůj rozpočet vyčerpal do posledního haléře na prostorový pohyb. Na pohyb v čase mu tak nezbyla vůbec žádná kapacita.

Co to znamená v praxi? Z našeho pohledu trvá let světla ze Slunce na Zemi zhruba 8 minut. Ale pro samotný foton čas neexistuje. Stejně tak pro něj neexistuje vzdálenost (dochází k takzvané kontrakci délky na nulu). Z pohledu toho malého fotonu, který vás právě teď hřeje na kůži, se okamžik jeho zrodu v jádru Slunce a okamžik jeho zániku na vaší tváři udály v tentýž moment, na jednom a tomtéž místě.

Až si příště rozsvítíte lampičku, vzpomeňte si, že to světlo, které vidíte, je neustálá transformace neviditelných sil, příval pravděpodobnosti a posel, pro kterého vzdálenosti a tisíciletí neznamenají vůbec nic. Cestuje bezčasím jen proto, aby narazilo do hmoty, předalo svůj energetický dar a proměnilo se ve vjem v našem oku.