Hvad er lys?
År 2015 er udnævnt til lysets år. Det fejrer Spørg Videnskaben ved at undersøge, hvad lyset egentlig er for noget – og det viser sig, at lyset langt fra er så simpel en størrelse, som man måske skulle tro.

Vores øjne opfatter Solens lys som hvidt, men i virkeligheden indeholder lyset alle regnbuens farver. Læs mere om lysets farver under artiklen. (Foto: Colorbox)

 

Det strømmer ud af lamper, lygtepæle, lejrbål og lommelygter.

Det blænder os, vækker os, viser vej for os, gør os brune, gør os glade – og det er faktisk en helt grundlæggende forudsætning for, at vi kan leve på vores planet.

»Vi bruger lyset til næsten alt. Vi kunne slet ikke fungere uden lys, så lyset er helt klart værd at fejre,« siger Karsten Rottwitt, som er professor ved DTU Fotonik.

Netop i år bliver lyset fejret og hyldet lidt mere end sædvandligt - FN har nemlig udnævnt 2015 til at være ’Lysets internationale år’.

I den anledning vil Spørg Videnskaben også gerne være med til at hylde lyset – og det gør vi ved at besvare spørgsmålet om, hvad lys egentlig er for noget.

Lys er... elektriske og magnetiske felter

Det korte svar på spørgsmålet kommer prompte, da vi stiller spørgsmålet til lysforsker og professor Karsten Rottwitt:

»Lys er elektromagnetisk stråling,« lyder det.

Fakta

Kendte forskeres syn på lyset:

De tidligste tanker om lysets natur findes hos græske filosoffer: Euklid fastslog ca. år 280 f.Kr., at lys udbreder sig retlinjet, og i overensstemmelse med Platon opfattede han lys som stråler, der udgår fra øjet og udbreder sig med uendelig stor hastighed.

Den italienske astronom Galileo Galilei (1564-1642) fik den ide, at lys var bølger, som kunne måles – det lykkedes ham dog ikke at måle lyset.

Det lykkedes til gengæld (med nogen unøjagtighed) for astronomen Ole Rømer fra Danmark (1644-1710), som fandt ud af, at lyset havde en målbar hastighed ved at studere Jupiter og dens måner.

Isaac Newton fra England (1642-1727) udviklede teorier om lysets farve, og han mente, at lyset var en slags små partikler.

Astronom Christiaan Huygens fra Holland (1629-1695) havde en anden mening – han mente, at lys var bølger.

Skotske James Clerk Maxwell (1831-1879) fandt ud af, at lys var elektromagnetisk stråling og beskrev lyset som bølger.

Albert Einstein (1879-1955) hævdede i 1905, at lys var partikler – små lyskvanter.

I dag er forskerne enige om, at lys både kan opfattes som partikler og som bølger – det kaldes partikel-bølgedualiteten.

Kilder: Helge Kragh, Gyldendals Den store Danske, Planetarium

Så langt så godt. Men hvad er så elektromagnetisk stråling? Og er al elektromagnetisk stråling lys?

Karsten Rottwitt starter med at forklare, at elektromagnetisk stråling er en form for energi, og - som navnet også antyder - kan de elektromagnetiske stråler beskrives som en kombination af:

  • elektriske felter og
  • magnetiske felter

som udbreder sig gennem rummet.

Leksikon: Lys er synligt lys

Klassisk set siger fysikerne, at elektromagnetisk stråling udbreder sig som bølger - og størrelsen på bølgerne (bølgelængden) afgør, hvilken form for elektromagnetisk stråling der er tale om.

Elektromagnetisk stråling findes i mange forskellige udgaver - blandt de kendte er eksempelvis radiobølger, som kan have bølgelængder på flere meter, mens andre udgaver af elektromagnetisk stråling – for eksempel røntgenstråler, gammastråler og infrarødt lys - har bølgelængder på under en millimeter.

Flere leksika definerer udelukkende lys som ’synligt lys’. Det højtansete Encyclopædia Britannica skriver for eksempel, at lys er »elektromagnetisk stråling, som kan detekteres af det menneskelige øje.«

Med en sådan definition dækker lys kun et meget snævert spektrum af den elektromagnetiske stråling. Menneskets øje kan normalt kun opfatte lys med bølgelængder, der er i størrelsesordenen fra 380 til 750 nanometer (en nanometer svarer til 0,000001 millimeter.)

Professor: Lys er mere end synligt lys

Når lys beskrives som bølger, betegnes bølgelængden som afstanden mellem to bølgetoppe. Frekvensen er et andet vigtigt træk ved lyset - her ses bølgelængde ved forskellige frekvenser - øverste bølge har laveste frekvens, nederste har højeste frekvens. (Illustration: Wikimedia Commons)

Mange fysikere og andre, som arbejder med lys, er imidlertid enige om, at fænomenet ’lys’ dækker et bredere spektrum af den elektromagnetiske stråling – sådan at for eksempel infrarødt lys og ultraviolette stråler (UV-lys) bliver regnet som lys, selvom det ikke er synligt for menneskets øje.

»Lys er andet end synligt lys. For mig er lys et elektromagnetisk felt, som har en høj frekvens (det vil sige en lille bølgelængde, red.). Jeg kender ikke en hårfin grænse for, hvornår vi ikke længere kalder elektromagnetisk stråling for lys, men det ligger ud i grænserne ved UV-lys og infrarødt lys. Mikrobølger eller radiobølger vil man eksempelvis ikke kalde lys, selvom det er elektromagnetisk stråling,» siger Karsten Rottwitt, som selv arbejder med infrarødt lys, der kan bruges til kommunikation.

Med andre ord er der altså forskellige opfattelser og definitioner af, hvor stor en del af det elektromagnetiske spektrum, fænomenet lys kan prale af at dække.

 

Lys er både bølger og partikler

Og for at det ikke skal være løgn, har fysikerne faktisk en endnu mere tvetydig forklaring på, hvad lys er for en størrelse – på én og samme tid kan lyset nemlig både være en bølge og en partikel.

»Der er to forskellige beskrivelser af lyset. Nogle gange er det en fordel at beskrive lyset som en partikel, andre gange er det fordelagtigt at beskrive lyset som bølger. Begge forklaringer er lige rigtige – de supplerer hinanden og sørger for, at vi kan forklare lysets forskellige egenskaber,« fortæller Karsten Rottwitt fra DTU.

At lys – og andre elektromagnetiske stråler - både kan opføre sig som bølger og som partikler, kalder fysikerne for partikel-bølgedualiteten.

Man kunne måske fristes til at tro, at lys kan beskrives på to forskellige måder, fordi forskerne er opdelt i to fløje med modstridende lys-teorier. Men sådan er det ikke, fortæller videnskabshistoriker og fysiker Helge Kragh.

Hvordan opstår lys? For at forklare, hvordan lys opstår, ser vi på fysiker Niels Bohrs model over et atom - her brint-atomet. Inderst i atomet er kernen, som består af protoner og neutroner. Uden om bevæger elektronerne sig i forskellige 'skaller'. Hvis et atom tilføres energi, flytter elektronerne væk fra kernen, ud i en skal længere væk, dvs. skal 2, 3, 4 osv. Jo længere væk fra kernen elektronen ligger, des mere energi er der lagret i atomet. Energien kan frigives, og det sker ved at elektronen udsender lys - en foton. Elektronerne udsender lys i forskellige farver, alt efter hvor meget energi, de afgiver. (Illustration: WIkimedia Commons)

 

»Det er bare sådan, at i nogle tilfælde opfører lyset sig som bølger og i andre tilfælde som partikler. Der er en dualitet – en tvetydighed - imellem de to opfattelser, men der er ikke nogen egentlig modstrid imellem dem,« siger Helge Kragh, som er professor ved Aarhus Universitet.

 

Strid om opfattelsen af lys 

Tidligere har lysets partikel-bølgedualitet ellers givet ophav til større uenigheder i fysikken – og stridighederne rækker helt tilbage til 1600-tallet.

Den berømte videnskabsmand Isaac Newton fra England (1642-1727) sagde, at lyset var en slags små partikler, mens den samtidige astronom Christiaan Huygens fra Holland (1629-1695) mente, at lyset var bølger.

I begyndelsen af 1900-tallet lå teorien om, at lys bestod af bølger, i en klar førertrøje, men i dag er fysikerne for længst blevet enige om, at Newton og Huygens rent faktisk begge to havde ret.

»Omkring 1930 – efter at kvantemekanikken (gren af fysikken, red.) kom på banen - forstod man lyset, og den moderne opfattelse af lys er i hovedtræk stadig den samme. Der er heller ikke nogen, der forventer helt nye teorier om lys,« fortæller Helge Kragh.

 

Einstein mente lyset var kvanter

Helge Kragh forklarer, at det var den tyske fysiker Albert Einstein, som i begyndelsen af 1900-tallet pustede fornyet liv i teorien om, at lys kunne opføre sig som partikler.

Einstein kaldte lys-partiklerne for ’lyskvanter,’ men i dag bruger fysikerne som oftest betegnelsen ’fotoner’, når de skal beskrive lyset som partikler.

Illustrationen viser det elektromagnetiske spektrum - det synlige lys fylder kun en meget lille del af spektret, som er forstørret op nedenfor. Bølgelængden er størst til venstre og mindst til højre. (Illustration: KU / EMU)

Uanset om lyset opfører sig som fotoner eller bølger, farer det imidlertid af sted i en rivende fart – mere præcist rejser lyset med en hastighed på 299.792.458 meter per sekund igennem det tomme rum (vakuum).

Det betyder, at det kun tager cirka otte minutter for Solens lys at nå millioner af kilometer gennem rummet og ned til Jorden.

 

Dansk astronom bag vigtig lysforskning

Opdagelsen af, at lyset har en hastighed, kan faktisk tilskrives en dansk videnskabsmand; astronomen Ole Rømer (1644-1710).

Han studerede Jupiter og dens måner, da det gik op for ham, at det tog et stykke tid, før lyset fra Jupiter nåede ned til Jorden - eller, som Rømer selv udtrykte det; lyset ’tøvede’.

»Rømer fik os til at erkende, at lyset har en endelig hastighed. Det var en temmelig kættersk opfattelse på hans egen tid, for standardopfattelsen var, at lyset bevægede sig med uendelig hastighed. Man mente altså, at det ikke tog nogen tid for lyset at komme fra lyskilden til modtageren,« siger Helge Kragh og tilføjer:

»Rømers opdagelse viste sig at være mere vigtig for vores opfattelse af lys, end han selv kunne have forstået. Men Rømer sagde faktisk ikke noget om, hvad lys egentlig var. Det var ikke noget, der interesserede ham. Hans bestemmelse af lysets hastighed var fuldstændig uafhængig af, om det var bølger partikler eller noget andet.«

Med disse ord vil vi sige tusind tak til de to forskere – Helge Kragh og Karsten Rottwitt – for at hjælpe os med at besvare, hvad lyset er for en størrelse.

Skulle du selv undre dig over noget, så tøv endelig ikke med at sende os dit spørgsmål på sv@videnskab.dk

Derfor har lyset forskellige farver

Lys kan have forskellige farver.

Normalt opfatter vi Solens lys som hvidt, men i virkeligheden indeholder Solens lys alle de farver, man kan se i en regnbue - når vi ser alle farverne på én gang opfatter vores øjne bare lyset som hvidt.

Hvis man tænker på lyset som bølger, så opstår de forskellige farver, fordi lyset har forskellig bølgelængde (afstand mellem to bølgetoppe).

Rødt lys’ bølgelængde er længst, derefter kommer orange, gul, grøn og til sidst blå.

Når vores øjne opfatter, at en genstand har en bestemt farve, handler det virkeligheden også om, at genstanden reflekterer lyset på en bestemt måde, forklarer professor Karsten Rottwitt.

»Når en T-shirt eller et stykke papir bliver ramt af sollys, bliver lyset reflekteret. Den farve, vi ser på papiret, er en reflekteret farve. Hvis papiret er hvidt, så er det fordi, at det reflekterer alle lysets farver,« siger Karsten Rottwitt.

Han forklarer, at hvis en T-shirt har en flot rød farve, så skyldes det i virkeligheden, at T-shirten absorberer lys med bølgelængder i det blå, grønne og gule spektrum – mens det røde lys bliver reflekteret.

»Hvis en T-shirt derimod er sort, betyder det, at den har absorberet alle farver. Det betyder også, at den optager en masse energi – det er derfor, at det er varmere at have sort tøj på ude i Solen,« forklarer Karsten Rottwitt.

Hvert eneste grundstof har sin egen måde at reflektere lyset på – og det faktum betyder for eksempel, at forskerne kan få viden om, hvilke stoffer planeter og stjerner er gjort af, selvom de befinder sig milliarder af kilometer borte fra Jorden.

Lyset fra himmellegemerne indeholder simpelthen en slags stregkode, som sladrer om, hvilke stoffer der er til stede.

 

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud

Det sker