Šviesa - tai kasdienis fenomenas, kuris mus supa, leidžia matyti ir pažinti pasaulį. Tačiau šviesa, kaip reiškinys, apima daug sunkiai suprantamų, bet įdomių dalykų. Šis straipsnis, remiantis „Mokslo sriubos“ laidų medžiaga, gilinasi į įvairius šviesos aspektus - nuo jos prigimties ir savybių iki panaudojimo astronomijoje bei technologijose.
Ar kada nors susimąstėte apie pasaulį, kuris slypi už regimos šviesos ribų? Apie nematomus spindulius, kurie veikia mūsų kasdienį gyvenimą, nors jų ir nematome? „Mokslo sriubos“ laida, bendradarbiaujanti su Baltijos pažangių technologijų institutu, kviečia panagrinėti šią įdomią sritį ir atskleisti paslaptis, slypinčias už elektromagnetinių bangų.
Šviesa: Elektromagnetinių bangų pasaulis
Kas yra matoma šviesa?
Fizikoje šviesa yra ne tik mums matomos vaivorykštės spalvos, bet elektromagnetinė banga. Žmonių matoma šviesa - tai elektromagnetinės bangos, kurios virpa apie tūkstantį trilijonų kartų per sekundę. Jos sklisdamos erdvėje neša energiją. Akių tinklainėje esančios ląstelės sugeba šiuos virpesius paversti į nervinius signalus. Šie lekia sensoriniais neuronais ir pasiekia pakaušį. Regos centre jie virsta spalvomis ir sukuria vaizdą. Visa tai vyksta nesuvokiamu greičiu, net šio sakinio perskaitymui reikalingas aprašytas procesas.
Už regimos šviesos ribų: Nematomas spektras
Aplink mus nuolat virpa įvairios elektromagnetinės bangos. Rentgeno spinduliai, naudojami pamatyti žmogaus kaulus, arba radijo bangos yra elektromagnetinių spindulių pavyzdžiai. Tačiau yra ir kitų nematomų šviesos formų, kurios atlieka svarbų vaidmenį mūsų kasdienybėje ir moksle.
Infraraudonieji spinduliai: Šiluma, kurią jaučiame
Ar kada nors pagalvojote, kodėl parduotuvės durys automatiškai atsidaro mums prie jų prisiartinus? O ar esate matę filmą, kuriame filmuojant per kamerą matomas įvairiomis spalvomis išmargintas žmogaus siluetas? Ir vienu, ir kitu atveju galime kaltinti infraraudonuosius spindulius, dar kitaip vadinamus šilumine spinduliuote. Jų žmogaus akis matyti negali, tačiau šiuos spindulius suvokiame ne kaip šviesą, o kaip šilumą.
Radijo bangos: Mūsų kasdienybės variklis
Be infraraudonųjų spindulių aplink mus virpa ir radijo bangos. Šiais virpesiais perduodamas bevielis internetas, mobilusis ryšys, televizijos transliacijos ir kt.
Ar mama yra sakiusi, kad miegant laikyti telefoną po pagalve yra nesveika? Prieš kelis metus Vilniaus universiteto fizikai kartu su onkologijos mokslininkais atliko eksperimentus, kuriais siekė nustatyti bet kokius apspinduliuotų ląstelių pokyčius. Dvi valandas radijo bangomis jie švitino ląsteles žymiai stipresniu lauku, nei leidžia Lietuvos higienos normos. Stebėtina tai, jog ląstelės į tokį poveikį visiškai nereagavo!
Vis dėlto, Pasaulio sveikatos organizacijos duomenimis, mobiliųjų telefonų tyrimai rodo neigiamą trumpalaikį poveikį žmogaus sveikatai. Specialistai pataria ilgai nelaikyti telefono prie vienos ausies, nes nuo to šiek tiek pakyla ausies temperatūra. Tyrimai vyksta toliau, tačiau šiuo atveju mamos baimė nepagrįsta.
Mobiliųjų telefonų spinduliuotė ir jos poveikis vaikams | Patrick Trzeciak | TEDxPascoCountySchools
Terahercinės bangos: Perspektyvi ateities sritis
Terahercinės bangos - nematomų bangų diapazonas, kurių žmogus visai nejaučia, nemato ir negirdi. Trilijonas virpesių per sekundę! Jas tyrinėja Fizinių ir technologijos mokslų centre (toliau - FTMC) dirbantys mokslininkai. Nors ši spinduliuotė gana silpna, esanti tarp šiluminės spinduliuotės ir radijo bangų, terahercus tyrinėjantys mokslininkai teigia, jog atliekami tyrimai - perspektyvi mokslo sritis, nes terahercinių bangų spindulius galima panaudoti pramonėje ar įvairiose praktikose, pavyzdžiui, paslėptų daiktų paieškai ar siuntų patikroms.
Ultravioletiniai spinduliai ir vitaminas D
„Soliariumo lempos pradeda spinduliuoti ultravioletinius spindulius. Tai yra tie patys Saulės spinduliai dėl kurių įdegame prie jūros. Pradeda gamintis vitaminas D. Tik apie 10 procentų jo gauname su maistu, o net 90 - iš šviesos. Daugumai mūsų trūksta vitamino D.“
Šviesa astronomijoje: Žvilgsnis į Visatos gilumą
Šviesos greitis ir laiko kelionės
Šviesos dalelė - fotonas - pasiekia didžiausią greitį visoje Visatoje, kuris yra trys šimtai tūkstančių kilometrų per sekundę. Bet atstumai tarp astronominių kūnų yra neįsivaizduojamai dideli. Kadangi šviesos greitis nėra begalinis, šviesai irgi užtrunka kažkiek laiko nukeliauti tokius didelius atstumus. Šviesos dalelei nukeliauti nuo Saulės iki Žemės užtrunka vidutiniškai truputį daugiau negu 8 minutes. Betgi Saulė, palyginus su kitais kūnais, yra arti Žemės ir atstumas, kurį šviesai reikia nukeliauti, yra trumpas.
Šviesmečiai: Kosminiai atstumai
Kadangi atstumai Visatoje yra tokie milžiniški, šviesa juos keliauja labai ilgai. Todėl valandomis matuoti laiką, kurį nukeliauja šviesos dalelė, būtų labai nepraktiška ir sunku. Astronomijoje laiką, kurį nukeliauja fotonas, mokslininkai matuoja šviesmečiais. Atstumai taip pat matuojami šviesmečiais. Todėl nurodydami atstumą tarp tolimų objektų, mokslininkai tiesiog sako, kiek laiko užtrunka šviesai tą atstumą nukeliauti. Aišku, jeigu norima tikslių skaičių, šviesmečius galima pasiversti į kilometrus. Šviesa per vienus metus nukeliauja 9.5 trilijonus kilometrų. Pavyzdžiui, arčiausia žvaigždžių sistema Alfa Centauri yra nutolusi nuo Žemės apie 40 trilijonų kilometrų. Šviesai šį atstumą nukeliauti užtrunka apie 4 metus su puse.
Žvilgsnis į praeitį stebint šviesą
Taigi Visatoje šviesa neskrieja taip greitai. Kadangi šviesa keliauja daugiau nei 4 metus iš Alfa Centauri, mūsų matomas žvaigždės vaizdas „vėluoja”. Kai žiūrime į Alfa Centauri, mes matome šviesos daleles, kurios paliko žvaigždę prieš 4 metus. Taigi, mes matome, kaip atrodė Alfa Centauri prieš keturis metus. Kad pamatytume, kaip ji atrodo dabar, mes turėsime palaukti 4 metus. Tolimesnių kūnų skleidžiamos šviesos dalelės turi dar ilgiau skristi. Kuo toliau žiūrime į Visatą, tuo toliau žiūrime į praeitį.
Šviesos absorbcija ir spinduliavimas atomuose
Šviesos pagalba galime nustatyti, iš ko susideda planetų atmosferos. Pradėkime nuo atomų. Atomas sudarytas iš branduolio, kuris yra teigiamas, ir elektronų, kurie yra neigiami. Elektronai skrieja aplink atomą, nes juos traukia skirtingas krūvis. Yra daug orbitų, kuriose elektronas gali skristi, bet elektronas visada skrenda orbitoje esančioje arčiausiai prie branduolio.
Kai šviesos dalelė atsitrenkia į elektroną, įvyksta kažkas labai įdomaus. Elektronas gauna energijos iš šviesos dalelės, nes šviesa yra energijos forma, ir todėl turi panaudoti gautą energiją. Taigi, elektronas peršoka į tolimesnę orbitą. Elektronams tolstant nuo branduolio, jie įgyja daugiau gravitacinės potencinės energijos. Tai yra energija, atsirandanti objektams tolstant vienas nuo kito gravitaciniame lauke. Kitaip tariant, lėktuvui kylant nuo Žemės, jis gauna daugiau potencinės energijos, nes jo atstumas nuo Žemės didėja. Taigi, elektronai, norėdami susimažinti savo gravitacinę potencinę energiją, peršoka atgal į savo pradinę orbitą. Čia elektronas turi atsikratyti energijos, kurią jis įgijo peršokdamas į aukštesnę orbitą, ją kažkam atiduodamas. Todėl elektronas išskiria šviesą. Skirtingiems atomų elektronams reikia kitokio kiekio energijos, kad peršoktų į viršutinę orbitą. Skirtingos šviesos ilgio bangos turi skirtingą kiekį energijos. Taigi, kai elektronas peršoka atgal į savo pradinę orbitą, jis išskiria tos pačios spalvos šviesos dalelę, kurią gavo.
Doplerio efektas ir kosminių objektų judėjimas
Įsiklausykite į pravažiuojančio automobilio garsus. Kai automobilis artėja link jūsų, jis skleidžia aukšto tono garsą, kai tolsta, skleidžia žemesnio tono garsą. Tai pavyzdys apie garso bangas, tačiau tas pats vyksta ir su šviesos bangomis. Kai objektas nejuda, jo skleidžiamos garso bangos keliauja į visas puses vienodai. Kai objektas juda, bangos jo priekyje sutankėja, o už jo - praretėja. Sutankėjusios bangos turi aukštą dažnį. Jeigu tai garso bangos, garsas yra aukšto tono. Taigi artėjantis objektas skleidžia aukštą garsą, o tolstantis skleidžia žemo tono bangas, nes jų dažnis yra mažesnis.
Labai panašus reiškinys vyksta ir su šviesos bangomis. Jeigu kažkoks objektas Visatoje skrenda link mūsų, galime pamatyti tai pagal to objekto skleidžiamą šviesą. Jei objektas juda link Žemės, šviesos bangos susispaudžia ir turėdamos didesnį dažnį pasislenka į mėlyną spektro pusę, todėl tai vadinama mėlynuoju poslinkiu. Jeigu objektas tolsta nuo mūsų, jo skleidžiama šviesa pasislenka į raudoną spektro pusę, ir tai yra vadinama raudonuoju poslinkiu. Šis reiškinys vadinamas Doplerio efektu.
| Savybė | Artėjantis objektas (mėlynasis poslinkis) | Tolstantis objektas (raudonasis poslinkis) |
|---|---|---|
| Šviesos bangos | Sutankėja | Praretėja |
| Dažnis | Aukštesnis | Žemesnis |
| Spalvos poslinkis | Į mėlyną spektro pusę | Į raudoną spektro pusę |
Netikėti šviesos fenomenai ir technologijos
Ar šviesa gali mesti šešėlį? Naujausi atradimai
Ar galima įsivaizduoti šviesos spindulį, metantį šešėlį? Iš pirmo žvilgsnio tai atrodo nelogiška, net absurdiška. Juk šešėlius sukuria ne pati šviesa, o nepermatomi objektai, kurie užstoja šviesą. Kaip dažnai būna moksle, idėja gimė iš neformalaus pokalbio. Per pietus mokslininkai svarstė, ar būtų įmanoma atlikti eksperimentą, kurio metu lazerio spindulys mestų šešėlį. Tai, kas prasidėjo kaip smalsus eksperimentas, galiausiai leido padaryti įdomų atradimą.
Siekiant įrodyti tokio reiškinio galimybę, tyrėjai naudojo rubino kristalą ir du skirtingo bangos ilgio lazerio spindulius: galingą žaliąjį lazerį ir mėlynąjį lazerį kaip foninį apšvietimą. Nukreipę žaliąjį lazerį per rubino kristalą, jie pastebėjo, kad žaliasis lazeris mėlynojo lazerio šviesoje sukuria matomą šešėlį. Ši tamsi sritis atitiko klasikinius šešėlio kriterijus: ji buvo matoma plika akimi, atitiko žaliojo spindulio kontūrus ir kito priklausomai nuo jo padėties.
Kaip šviesa gali blokuoti šviesą? Įprastomis sąlygomis šviesos spinduliai kerta vienas kitą nesąveikaudami. Šiame eksperimente žaliasis lazeris lokaliai pakeitė rubino optines savybes, reaguodamas į mėlynojo lazerio šviesą. Žaliasis spindulys, praeidamas pro kristalą, tam tikroje srityje padidino mėlynosios šviesos sugertį ir sukūrė sritį, kurioje mėlynosios šviesos intensyvumas pastebimai sumažėjo. Šis atradimas ne tik nuostabus, bet ir praktiškai pritaikomas optikos ir lazerių technologijų srityje. Šis pasiekimas taip pat yra platesnio šviesos ir medžiagos sąveikos tyrimo dalis. Tyrėjai planuoja išbandyti kitas medžiagas ir bangos ilgius, kad išsiaiškintų, ar galima pastebėti panašų poveikį. Taigi šis atradimas pabrėžia (ir tai be žodžių žaismo) nuostabų šviesos ir jos sąveikos su materija sudėtingumą.
Lietuva: Lazerinė valstybė
Vilniuje dirba apie 1000 lazerininkų. „Vilnius - lazerių sostinė. Nė vienoje kitoje sostinėje nėra tokios didelės gyventojų proporcijos, dirbančios lazerių srityje,“ - sako Vilniaus universiteto mokslininkas ir startuolio „Lidaris“ vadovas dr. Lietuviški lazeriai yra vieni geriausių pasaulyje, todėl tikėtina, kad ateityje jie keliaus net į Marsą ar kitus kosminius kūnus. Jau dabar 320 kilometrų aukštyje skriejantis Europos kosmoso agentūros palydovas „Aeolus“ atmosferą zonduoja su lazeriu, kuriame, tikėtina, yra ir lietuviškų komponentų. Lietuvių įmonė „Optolita“ šiai misijai gamino specialius kristalus, kurie pakeičia lazerio bangos ilgį.
Mobiliųjų telefonų spinduliuotė ir jos poveikis vaikams | Patrick Trzeciak | TEDxPascoCountySchools
Saulės energetika: Tvari ateitis su šviesa
Mokslininkai ir energetikos ekspertai sutaria vieningai - reikia ieškoti alternatyvių energijos gavimo būdų. Štai čia saulės energetikos durys atveriamos labai plačiai. Energijos gamyba iš saulės neteršia gamtos. Negana to, ten, kur saulės apsčiai, saulės jėgainių vystytojai muša žemiausios kainos rekordus. Saulės elementai stipriai patobulėjo ir jų gamyba neįtikėtinai atpigo. Štai, pavyzdžiui, Jungtiniuose Arabų Emyratuose už šiose jėgainėse pagamintą kilovatvalandę mokama 2,42 euro centų. Saulės jėgainėms energija nieko nekainuoja - ji gaunama iš Saulės, todėl iškart sutaupoma įvairioms žaliavoms kaip dujoms ar akmens angliai.
Lietuvoje, palyginus, saulės nėra tiek daug, tačiau net ir čia apsimoka iš Saulės gaminti elektrą savo poreikiams. Tereikia įsigyti saulės elementų ir, įrengus juos ant stogo, elektros pasigaminti sau pačiam. Yra teigiančių, kad Lietuvoje saulės energetikos apskritai neverta vystyti, esą turime per mažai saulės šviesos, pas mus nuolat debesuota. Specialistų teigimu, tai - mitas. „Lietuvoje mes turime tiek pat saulės, kiek ir Didžiojoje Britanijoje ar Vokietijoje, - dviejose valstybėse, kurios turi vieną didžiausių instaliacijų (saulės elementų - red. past.) kiekių, tenkančių vienam gyventojui“, - teigia V. Kieras. Jam antrina ir Lietuvos atsinaujinančių išteklių energetikos konfederacijos prezidentas M. Nagevičius: „Mums geriau nei Šiaurės Lenkijoj, Danijoj ar Belgijoj, kur saulės energetika labai vystoma.“
Žemės stebėjimas: Meteorologiniai palydovai ir „Copernicus“
Jei kai kurie manome, kad meteorologiniai palydovai tėra paprasti aplink Žemę skraidantys fotografavimo įrenginiai, labai apsigauname. Kiekviename palydove prie jo rėmų yra pritvirtinta daug atskirų mokslinių instrumentų. Jie matuoja temperatūrą, drėgmę, slėgį, vėjo greitį ir perduoda duomenis į Žemę. Meteorologai pjausto atmosferą kaip pyragą, mato kas vyksta virš vandenynų ir aukštai virš mūsų. Pati ambicingiausia Žemės stebėjimo programa šiuo metu yra „Copernicus“. Pagrindinis Europos kosmoso agentūros (ESA) indėlis į šį projektą - septynios „Sentinel“ misijos, iš kurių keturios šiuo metu jau veikia.
Gravitacinės bangos: Naujas langas į Visatą
JAV LIGO observatorijoje pirmą kartą aptiktos gravitacinės bangos. Iki gravitacinių bangų atradimo, visa informacija apie kosmosą mus pasiekdavo elektromagnetinių bangų pavidalu - fotonais. Tai yra ir radijo bangos, ir mūsų regimoji šviesa, ir gama spinduliai, ir rentgeno spinduliai ir kiti.
Mobiliųjų telefonų spinduliuotė ir jos poveikis vaikams | Patrick Trzeciak | TEDxPascoCountySchools
Apie šias ir kitas mūsų akims nematomas bangas plačiau - naujausioje „Mokslo sriubos“ laidoje. Laida „Mokslo sriuba“ - ne pelno siekianti jaunų žmonių iniciatyva, kuriama bendradarbiaujant su Baltijos pažangių technologijų institutu. „Mokslo sriubą“ galima ragauti kiekvieną sekmadienį 10:00 val. per LRT Kultūrą, o išalkus dar - www.youtube.com paskyroje.