Hvorfor går lys langsommere gennem glas?
Spørg en forsker: Det mystiske fænomen, der viser sig i mange forskellige materialer, som lys passerer igennem, afslører noget om, hvad lys egentlig er.
lys hastighed bevægelse fotoner atomer elektromagnetisme fysik bølge glas vand brydning refraktion materiale grundstoffer brilleglas kameralinse radiostråler røntgenstråler sollys

Når lyset bevæger sig igennem et glasvindue, går det meget langsommere igennem glasset, end det gør i luften på begge sider af glasset. (Foto: Shutterstock)

Når lyset bevæger sig igennem et glasvindue, går det meget langsommere igennem glasset, end det gør i luften på begge sider af glasset. (Foto: Shutterstock)

Det er egentlig noget, vi bliver udsat for hver eneste dag. Hver gang lys går igennem brilleglas eller igennem et vindue, bliver lyshastigheden markant lavere inde i glasset.

Lysets hastighed er konstant. Uhindret lys i et vakuum bevæger sig med næsten 300.000 kilometer per sekund.

Lyset accelererer ikke op til denne hastighed. Fotonen - selve lyspartiklen - kan ikke bevæge sig i en anden hastighed.

Men alligevel virker det, som om lysets hastighed ændrer sig hele tiden. 

Lys går gennem almindeligt glas med 200.000 kilometer i sekundet, men synligt lys kraver gennem grundstoffet germanium med 'sølle' 53.000 kilometer per sekund - blot 18 procent af den faktiske lyshastighed.

Hvad sker der egentlig, når lyset lader til at sænke farten, når nu vores teorier om universet siger, at lysets hastighed er konstant?

En læser har indsendt spørgsmålet om fænomenet, så vi vil gøre vores bedste for at levere en slags introduktion til emnet, men der er tale om meget komplicerede sager.

»Vi kan regne ud, hvad der sker, men jeg tror ikke rigtig, det er muligt at forstå det intuitivt,« siger Bjørn Samset til forskning.no, Videnskab.dk's norske søstersite.

Han er fysiker og forskningsdirektør ved Cicero og har desuden skrevet en en bog om lys, der udkom i 2018.

Lyset bliver bøjet af glas eller vand

De fleste af os har nok lagt mærke til, hvordan lyset bliver bøjet af glas eller vand; for eksempel når armen ser ud, som om den er 'knækket', når vi sidder i badekarret.

Dette fænomen kaldes 'refraktion', og det bliver brugt til mange forskellige ingeniørmæssige løsninger. For eksempel bruger brille- og kameralinser refraktion til at fokusere lyset.

lys hastighed bevægelse fotoner atomer elektromagnetisme fysik bølge glas vand brydning refraktion materiale grundstoffer brilleglas kameralinse radiostråler røntgenstråler sollys

Et tydeligt eksempel på refraktion. (Foto: Shutterstock)

»Lysbrydning og refraktion er blandt de helt grundlægende spørgsmål om lys, der allerede blev diskuteret i antikken,« fortæller Bjørn Samset.

Denne brydning hænger sammen med den hastighed, lyset bevæger sig igennem materialet.

LÆS OGSÅ: Hvad er lys?

Verden ser (næsten) ens ud, både med og uden briller

»Det forekommer nok meget mærkværdigt, hvis man ikke lige får en forklaring først,« siger Bjørn Samset til forskning.no.

Måske giver en mere intuitiv forståelse af verden en forestilling af, hvad der sker inde i glasset.

Glas og vand er tættere materialer end luft, så man forestiller sig måske, at lyset møder flere atomer og farer rundt mellem de tætte atomer i materialet.

På denne måde er selve lysets hastighed lige så hurtig; det tager bare længere tid for det at bevæge sig gennem materialet.

Men denne forklaring fungerer ikke, fordi lyset så ville komme ud af materialet tilfældigt fordelt, hvis det bare skulle hoppe rundt mellem atomerne.

I virkeligheden kommer det ud som samlet lys - nøjagtigt som da det gik ind. Verden ser (næsten) ens ud, både med og uden briller.

Michael Merrifield, professor i astronomi ved University of Nottingham, gennemgår denne og andre forklaringer i en video, hvis du har lyst til at se mere.

Lys kan opføre sig som en bølge og en partikel

Så hvad er det, der sker? Moderne fysik beskriver, at lys både kan opføre sig som en bølge og som en partikel.

Hvis du ønsker at forstå mere af, hvad det egentlig betyder, kan vi anbefale en helt fantastisk video om et af de mest utrolige fysikeksperimenter nogensinde: Det berømte dobbeltspalte-eksperiment.

The Quantum Experiment that Broke Reality. (Video: YouTube/ Space Time/PBS Digital Studios)

»I visse sammenhænge er det lettere at forstå, hvad der sker i naturen, hvis man tænker på lys som bølger,« siger Bjørn Samset. Han fortsætter:

»Lyset spreder sig som en bølge, men et eller andet kommer i vejen, som forstyrrer bølgen, nemlig atomerne i det materiale, som bølgen skal igennem.«

LÆS OGSÅ: Hvorfor afbøjes lys ikke af vinden?

Hvad er lys?

Før vi går videre, er der lige et koncept, vi skal tage højde for.

Lys er egentlig elektromagnestisk stråling; én af de fundamentale naturkræfter.

Mobiltelefonens radiostråler, tandlægens røntgenstråler og sollyset er den samme slags stråling, bare med forskellige egenskaber.

Synligt lys er den del af den elektromagnestiske stråling, vi rent faktisk kan se.

lys hastighed bevægelse fotoner atomer elektromagnetisme fysik bølge glas vand brydning refraktion materiale grundstoffer brilleglas kameralinse radiostråler røntgenstråler sollys

Det elektromagnetiske spektrum viser bølger- og bølgelængder. Den lille boks med en sol i midten er synligt lys; det vi kalder lys til hverdag. (Illustration: Shutterstock)

Men elektromagnetismen har mange forskellige opgaver i naturen. Den samme kraft fastholder elektronerne i atomerne, så synligt lys påvirker kraften, som holder atomer sammen.

Se nøje på billedet til højre. Det viser atomstrukturen i glas, men det kan egentlig være et hvilket som helst materiale, som lyset skal igennem.

lys hastighed bevægelse fotoner atomer elektromagnetisme fysik bølge glas vand brydning refraktion materiale grundstoffer brilleglas kameralinse radiostråler røntgenstråler sollys

Atomstrukturen i glas, som består af oxygen og silicium. Forestil dig, at en bølge kommer ind og spreder sig mellem atomerne, som begynder at vibrere med samme frekvens som bølgen. (Illustration: Jdrweitt)

»Når lyset kommer bølgende ind, får det elektronerne i atomerne til at bølge lige hurtigt som lysbølgen, og så siger vi, at de bølger i samme frekvens.«

Lysbølgerne får måske flere tusind milliarder atomer til at vibrere. Men når elektronerne vibrerer, skabes nye elektromagnetiske bølger, som igen påvirker alle elektronerne.

Disse bølger ser vi som lys i materialet. Fordi bølgerne vibrerer med samme frekvens som lyset, som kommer ind, skabes lys med den samme farve gennem materialet.

LÆS OGSÅ: Lys kan både være bølger og partikler - på samme tid

Samspil mellem atomer og elektromagnetiske bølger

Bølgerne sendes videre gennem materialet med samme frekvens og retning.

Dermed forbliver lyset uforandret gennem materialet; ligesom en bølge på vandoverfladen kan få mange små genstande på overfladen til at vibrere, når bølgen rammer dem. 

De sender bølgen videre med samme frekvens til nye ting, som så begynder at lave deres egne bølger. Alle disse bølger begynder at påvirke hinanden.

»Der sker mange ting på én gang. Bølgerne forstærker og udsletter hinanden og samles til nye bølger,« siger Bjørn Samset. 

Dette samspil mellem atomerne og de elektromagnetiske bølger tager tid og forskyder bølgene; noget, som skaber en langsommere sammenlagt hastighed gennem materialet, selv om selve lyshastigheden ikke forandrer sig.

Som fysikprofessor ved universitetet i Nottingham Phil Moriarty understreger i denne video om refraktion,  er det en kollektiv proces i materialet.

Men som vi allerede har været inde på, er det et fænomen, som er vanskeligt at forstå, selv for de indviede.

I fysikforummet Physics Stack Exchange er det blevet debatteret heftigt, så det er bedre at betragte denne artikel som en enkel introduktion.

LÆS OGSÅ: Hvor hurtigt bevæger lys sig i rummet?

Samme energi, men ikke de samme fotoner

Men vi er ikke helt færdige endnu. Som nævnt tidligere i artiklen, kan lys betragtes både som partikler og som bølger. 

Partiklerne kaldes fotoner, og her kommer den kvantefysiske forklaring ind i billedet.

»Det er muligt at beregne, at lysets sammenlagte hastighed vil være langsommere gennem materialet, men så skal man tage højde for absolut alle de veje, fotonerne kan tage gennem materialet,« siger Phil Moriarty.

Og det er vigtigt at forstå, at det ikke er de samme fotoner, som kommer ind i glasset, som kommer ud igen - men nye fotoner, som sendes rundt mellem atomerne på samme måde, som bølgerne sendes videre mellem elektronerne i ovenstående eksempel.

»Man kan beskrive det som den samme energi, men det er ikke de samme fotoner,« siger Bjørn Samset.

©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark.

LÆS OGSÅ: Er det muligt, at neutrinoer er hurtigere end lyset?

LÆS OGSÅ: Hvorfor kan man ikke flyve hurtigere end lyset?

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.