Lumină

Pagina „Lumină vizibilă” trimite aici. Pentru lumina care nu poate fi văzută cu ochiul uman vedeți Radiație electromagnetică.

Pentru alte sensuri vedeți Lumina (dezambiguizare).

O prismă triunghiulară care dispersează un fascicul de lumină albă. Lungimile de undă mai lungi (roșu) și lungimile de undă mai scurte (albastru) sunt separate.

Fizica modernă
${\hat {H}}|\psi _{n}(t)\rangle =i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}|\psi _{n}(t)\rangle$ ${\frac {1}{{c}^{2}}}{\frac {{\partial }^{2}{\phi }_{n}}{{\partial t}^{2}}}-{{\nabla }^{2}{\phi }_{n}}+{\left({\frac {mc}{\hbar }}\right)}^{2}{\phi }_{n}=0$ Ecuația lui Schrödinger și Ecuația Klein–Gordon
Fondatori Max Planck  · Albert Einstein  · Niels Bohr  · Max Born  · Werner Heisenberg  · Erwin Schrödinger  · Pascual Jordan  · Wolfgang Pauli  · Paul Dirac  · Ernest Rutherford  · Louis de Broglie  · Satyendra Nath Bose
Concepte Spațiu · Timp · Energie · Materie · Lucru mecanic Aleatoriu · Informație · Entropie · Minte Lumină · Particulă · Undă
Ramuri Aplicată · Experimentală · Teoretică Filosofia științei · Filosofia fizicii Logică matematică · Fizică matematică Supersimetrie · Teoria coardelor · Teoria M Marea teorie unificată · Modelul standard Mecanică cuantică · Teoria cuantică a câmpurilor Antiparticulă · Antimaterie Electromagnetism · Electrodinamică cuantică Interacțiune slabă · Interacțiune electroslabă Interacțiune tare · Cromodinamică cuantică Fizică atomică · Fizica particulelor elementare Fizică nucleară · Materie exotică Bosonul Higgs · Fizică atomică și moleculară Fizica materiei condensate Informație cuantică · Calculator cuantic Spintronică · Superconductivitate Sistem dinamic · Fotonică · Biofizică Neurofizică · Minte cuantică · Plasmă Relativitate restrânsă · Relaivitate generală Materie întunecată · Energie întunecată Haos cuantic · Emergență · Sistem complex Gaură neagră · Principiul holografic Astrofizică · Univers observabil Big Bang · Cosmologie Gravitație · Gravitație cuantică Teoria întregului · Multivers
Oameni de știință Witten · Röntgen · Becquerel · Lorentz · Planck · Curie · Wien · Skłodowska-Curie · Sommerfeld · Rutherford · Soddy · Onnes · Einstein · Wilczek · Born · Weyl · Bohr · Schrödinger · de Broglie · Laue · Bose · Compton · Pauli · Walton · Fermi · van der Waals · Heisenberg · Dyson · Zeeman · Moseley · Hilbert · Gödel · Jordan · Dirac · Wigner · Hawking · P. W. Anderson · Lemaître · Thomson · Poincaré · Wheeler · Penrose · Millikan · Nambu · von Neumann · Higgs · Hahn · Feynman · Yang · Lee · Lenard · Salam · 't Hooft · Bell · Gell-Mann · J. J. Thomson  · Raman · Bragg · Bardeen · Shockley · Chadwick · Lawrence · Zeilinger · Goudsmit · Uhlenbeck
Categorii Categoria Fizică modernă nu a fost găsită

Moschea Nasir-ol-Molk are geamuri din sticlă colorată care, atunci când lumina trece prin ele, produce culori minunate și se reflectă pe covoare

Lumina (din latină lumina) sau lumina vizibilă este radiația electromagnetică din porțiunea spectrului electromagnetic care poate fi percepută de ochiul uman. Lumina vizibilă este de obicei definită ca având lungimi de undă cuprinse între 400-700 nanometri (nm) sau 4,00 × 10⁻⁷ până la 7,00 × 10⁻⁷ m, între infraroșu (cu lungimi de undă mai lungi) și ultraviolet (cu lungimi de undă mai scurte). Această lungime de undă înseamnă un interval de frecvență de aproximativ 430–750 terahertz (THz).

Principala sursă de lumină pe Pământ este Soarele. Lumina solară furnizează energia pe care o folosesc plantele verzi pentru a crea zaharuri mai ales sub formă de amidon, care la rândul său eliberează energie în viețuitoarele care digeră plantele. Acest proces de fotosinteză oferă aproape toată energia folosită de ființele vii. Istoric, o altă sursă importantă de lumină pentru oameni a fost focul, de la focuri de tabără antice până la lămpi moderne cu kerosen. Odată cu dezvoltarea luminii electrice și a sistemelor de alimentare, iluminatul electric a înlocuit eficient lumina de foc. Unele specii de animale generează propria lor lumină, un proces numit bioluminiscență. De exemplu, licuricii folosesc lumina pentru a localiza perechea, iar calamarii vampiri o folosesc pentru a se ascunde de pradă.

Proprietățile primare ale luminii vizibile sunt intensitatea, direcția de propagare, frecvența sau spectrul lungimii de undă și polarizarea, în timp ce viteza sa într-un vid, 299.792.458 metri/secundă, este una dintre constantele fundamentale ale naturii. Lumina vizibilă, ca și în cazul tuturor tipurilor de radiații electromagnetice (EMR), s-a găsit experimental că se mișcă mereu cu această viteză în vid.

În fizică, termenul lumină se referă uneori la radiații electromagnetice de orice lungime de undă, indiferent dacă sunt vizibile sau nu. În acest sens, razele gamma, razele-X, microundele și undele radio sunt, de asemenea, lumină. Ca toate tipurile de lumină, lumina vizibilă este emisă și absorbită în mici „pachete” numite fotoni și prezintă proprietăți atât ale undelor cât și ale particulelor.

Când o undă de lumină este transformată și absorbită ca un foton, energia undei se prăbușește instantaneu într-un singur loc, iar acest loc este locul unde fotonul „ajunge”. Aceasta este ceea ce se numește colapsul funcției de undă. Această natură duală a lumină atât ca undă cât și ca particulă este cunoscută sub numele de dualismul undă-particulă. Studiul luminii, cunoscut sub numele de optică, este un domeniu important de cercetare în fizica modernă.

Surse de lumină

Surse naturale

Raze solare care pătrund prin coronament

Există tipuri diferite de surse de lumină, dar ele pot fi împărțite în două tipuri: naturale și artificiale. Cele naturale includ stele, galaxii, fulgere și altele. Stelele sunt corpuri cerești, reprezentând o sferă mare de gaz care produce energie prin fuziune, în primul rând prin conversia hidrogenului în heliu. Această energie se propagă în spațiu sub formă de radiație electromagnetică. O altă sursă naturală de lumină este aurora boreală.

Pentru Terra, principala sursă de lumină naturală este Soarele. Stelele mai îndepărtate radiază suficient pentru a fi vizibile, dar nu suficient pentru a lumina. Luna reflectă suficientă lumină solară pentru a permite scotopia (adaptarea ochiului la întuneric) fără percepția culorilor.

Există, de asemenea, surse biologice de lumină naturală în natură - animale și plante care emit lumină. Acest fenomen se numește bioluminiscență și este caracteristic, de exemplu, licuricilor, planctonului, unor specii de ciuperci și unor animale marine. Anumite substanțe chimice emit și lumină naturală. Acest fenomen se numește chemiluminescență.

Surse artificiale

Hong Kong iluminat artificial

Cele mai vechi surse de lumină artificială sunt lumânările și torțele. Torțele au fost folosite din cele mai vechi timpuri, utilizarea lor astăzi este limitată, dar, ca tradiție, flacăra olimpică este purtată cu torțe. Din punct de vedere istoric au urmat: lămpi și felinare de petrol, kerosen și gaz.

Odată cu descoperirea electricității, au fost create o mare varietate de surse de lumină, în special becul electric. Becul cu incandescență utilizează efectul încălzirii unei sârme de înaltă rezistență atunci când un curent electric trece prin ea. Pentru a obține lumină vizibilă, este necesar să se ridice temperatura la câteva mii de grade. Doar o mică parte a luminii emise se află în spectrul vizibil ochiului uman. Pentru a crește așa-numita lumină „albă”, este necesar să se mărească temperatura de încălzire a conductorului, motiv pentru care se folosesc metale cu un punct de topire ridicat - cel mai adesea wolfram (3410 °C) și mai rar osmiu (3045 °C).

O altă sursă de lumină, utilizată pe scară largă în electronică și acasă, este LED-ul - o diodă semiconductoare care emite lumină la polarizarea directă a joncțiunii p-n. LED-ul conține una sau mai multe cristale emițătoare de lumină situate într-o carcasă cu un obiectiv care creează un flux luminos.

Cele mai puternice și mai strălucitoare surse de lumină de astăzi sunt laserele. Sunt surse de lumină monocromatică, coerentă, dirijată. Laserul emite un fascicul bine direcționat, subțire, coerent, cu o lungime de undă constantă (aceeași culoare) și de înaltă luminozitate, spre deosebire de surse incoerente, cum ar fi becurile, care emit unde în aproape întreg spectrul electromagnetic și în toate direcțiile.

Proprietăți și caracteristici

Viteza luminii

Articol principal: Viteza luminii.

Viteza luminii în vid este o constantă fizică universală importantă în multe domenii ale fizicii. Valoarea sa exactă este de 299.792.458 metri/secundă (aproximativ 3,00×10⁸ m/s sau 300.000 km/s). Valoarea fixă a vitezei luminii în unitățile SI rezultă din faptul că metrul este acum definit de această constantă. Toate formele de radiații electromagnetice se mișcă exact la aceeași viteză în vid.

Diferiți fizicieni au încercat să măsoare viteza luminii de-a lungul istoriei. Galileo a încercat să măsoare viteza luminii în secolul al XVII-lea. Un experiment timpuriu pentru măsurarea vitezei luminii a fost realizat de Ole Rømer, fizician danez, în 1676. Folosind un telescop, Rømer a observat mișcările lui Jupiter și a unuia dintre sateliții săi, Io. Observând discrepanțele în perioada aparentă a orbitei lui Io, el a calculat că lumina necesită aproximativ 22 de minute pentru a traversa diametrul orbitei Pământului. La acea vreme, această dimensiune nu era cunoscută; dacă Rømer ar fi cunoscut diametrul orbitei Pământului, el ar fi calculat o viteză de 227.000.000 m/s.

O altă măsurare mai precisă a vitezei luminii a fost realizată în Europa de către fizicianul francez Hippolyte Fizeau în 1849. Fizeau a direcționat un fascicul de lumină într-o oglindă aflată la opt kilometri distanță. Raza trecea prin golurile dintre dinții unei roți dințate aflate într-o rotație rapidă. Viteza roții era crescută până când lumina reflectată trecea prin următorul gol și putea fi văzută. Cunoscând distanța până la oglindă, numărul de dinți de pe roată și rata de rotație, Fizeau a fost capabil să calculeze viteza luminii la ca. 313.000.000 m/s.

Léon Foucault a efectuat un experiment care a folosit oglinzi rotative pentru a obține o valoare de 298.000.000 m/s în 1862. Albert A. Michelson a efectuat experimente cu viteza luminii din 1877 până la moartea sa în 1931. El a rafinat metodele lui Foucault în 1926 folosind oglinzi rotative îmbunătățite pentru a măsura timpul necesar pentru a face o călătorie dus-întors de la Muntele Wilson la Muntele San Antonio din California. Măsurătorile precise au dus la o viteză de 299.796.000 m/s.

Viteza efectivă a luminii în diferite substanțe transparente care conțin materie obișnuită este mai mică decât în vid. De exemplu, viteza luminii în apă este de aproximativ 3/4 de cea în vid.

Linia galbenă arată timpul necesar pentru ca lumina să parcurgă spațiul dintre Pământ și Lună, aproximativ 1,26 secunde.

Spectrul electromagnetic

Spectrului electromagnetic cu porțiunea vizibilă evidențiată

Articol principal: Spectru electromagnetic.

Spectrul electromagnetic este gama de frecvențe (spectrul) radiației electromagnetice și a lungimilor de undă și energiilor fotonice respective.

Spectrul electromagnetic acoperă undele electromagnetice cu frecvențe cuprinse de la mai puțin de un hertz la peste 10²⁵ hertzi, corespunzând lungimilor de undă de la mii de kilometri până la o fracțiune din dimensiunea unui nucleu atomic. Acest interval de frecvențe este împărțit în benzi separate, iar undele electromagnetice din fiecare bandă de frecvență au denumiri diferite; începând cu frecvența joasă (lungime de undă lungă) a spectrului, acestea sunt: unde radio, microunde, infraroșu, lumină vizibilă, ultraviolete, raze X și raze gamma la capătul de frecvență înaltă (lungime de undă scurtă). Undele electromagnetice din fiecare dintre aceste benzi au caracteristici diferite, cum ar fi modul în care sunt produse, cum interacționează cu materia și aplicațiile lor practice. Limita pentru lungimi de undă lungi este dimensiunea Universului în sine, în timp ce se consideră că limita lungimii de undă scurtă se află în vecinătatea lungimii Planck.

Comportamentul radiației electromagnetice depinde de lungimea de undă. Frecvențele mai înalte au lungimi de undă mai scurte, iar cele joase au lungimi de undă mai lungi. Când radiația electromagnetică interacționează cu atomii și moleculele individuale, comportamentul acesteia depinde de cantitatea de energie pe cuantă pe care o transportă.

Refracție și reflexie

Articole principale: Refracție și Reflexia luminii.

Reflexia muntelui și a pădurii în lac.

Refracția și reflexia luminii sunt două fenomene caracteristice tuturor tipurilor de unde. Reflexia luminii este fenomenul de întoarcere a luminii în mediul din care a provenit, atunci când întâlnește suprafața de separare dintre două medii. Dacă suprafața este netedă, reflexia luminii este speculară (asemănătoare unei oglinzi). Pe o suprafață neuniformă, razele de lumină sunt împrăștiate în multe direcții diferite, reflexia luminii fiind difuză iar imaginea produsă nefiind clară. De fapt, reflectarea luminii poate apărea ori de câte ori lumina se deplasează dintr-un mediu al unui indice de refracție dat într-un mediu cu un indice de refracție diferit. În cel mai general caz, o anumită fracțiune a luminii este reflectată din suprafață, iar restul este refractat.

Un exemplu de refracție a luminii. Paiul pare rupt pe măsură ce trece din lichid în aer din cauza refracției luminii

Refracția este curbarea razelor de lumină când trec printr-o suprafață între un material transparent și altul. Este descrisă de Legea lui Snell:

$n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}\ .$

unde θ₁ este unghiul dintre rază și suprafața normală în primul mediu, θ₂ este unghiul dintre rază și suprafața normală în al doilea mediu și n₁ și n₂ sunt indicii de refracție, n = 1 în vid și n > 1 într-o substanță transparentă.

Când un fascicul de lumină trece granița dintre un vid și un alt mediu sau între două medii diferite, lungimea de undă a luminii se schimbă, dar frecvența rămâne constantă. Dacă raza de lumină nu este ortogonală (sau mai degrabă normală) față de graniță, schimbarea lungimii de undă are ca rezultat schimbarea direcției fasciculului. Această schimbare de direcție este cunoscută sub numele de refracție.

Calitatea de refracție a lentilelor este frecvent utilizată pentru a manipula lumina în scopul modificării dimensiunii aparente a imaginilor. Lupa, ochelarii, lentilele de contact, microscoapele și telescoapele de refracție sunt exemple ale acestei manipulări.

Propagare și difracție

Umbre alungite pe o plajă.

Una dintre proprietățile luminii care este cea mai evidentă cu ochiul liber este că se deplasează în linie dreaptă. Umbrele iau naștere din propagarea luminii și întâlnirea ei cu obiecte. Dacă interpunem un corp opac în calea luminii și apoi un ecran, vom obține pe ecran umbra corpului. Dacă sursa luminii sau a focalizării este departe de corp, astfel încât este relativ mai mică decât corpul, se va produce o umbră definită. Dacă focalizarea este apropiată de corp, va apărea o umbră în care se pot distinge o regiune mai deschisă numită penumbra și o regiune mai întunecată numită umbra.

Totuși, lumina nu circulă întotdeauna în linie dreaptă. Când lumina trece printr-un obstacol ascuțit sau cu o deschidere îngustă, fasciculul este ușor îndoit. Acest fenomen, numit difracție, este responsabil pentru faptul că, atunci când privim printr-o gaură foarte mică, totul este distorsionat sau că telescoapele și microscoapele au un număr maxim limitat de măriri.

Teorii despre lumină, în ordine cronologică

Grecia clasică și elenism

În jurul anului 300 î.Hr., Euclid a scris Optica, în care a descris proprietățile luminii

În secolul al V-lea î.Hr., Empedocle a spus că totul este alcătuit din patru elemente: foc, aer, pământ și apă. El credea că Afrodita a făcut ochiul uman din cele patru elemente și că ea a aprins focul în ochi, care a dus la strălucirea ochilor, făcând posibilă vederea. Dacă acest lucru ar fi fost adevărat, atunci s-ar fi putut vedea atât noaptea cât și ziua, așa că Empedocle a sugerat o interacțiune între razele din ochi și razele dintr-o sursă precum Soarele.

În jurul anului 300 î.Hr., Euclid a scris Optica, în care a descris proprietățile luminii. Euclid a scris că lumina călătorește în linii drepte, a descris legile reflexiei și le-a studiat matematic. El a susținut că vederea se datorează razelor care merg de la ochi la obiectul privit și a studiat relația dintre mărimea aparentă a obiectelor și unghiul sub care sunt văzute.

În 55 î.Hr., poetul latin Lucretius, care a continuat ideile atomistilor greci, a scris că lumina este rezultatul vitezei mari de mișcare a atomilor (în poemul filosofic De natura rerum, „Despre natura lucrurilor”). Opiniile lui Lucretius nu au fost general acceptate. Ptolemeu (c. secolul al II-lea) a scris despre refracția luminii în cartea sa Optica.

India

În India antică, școlile hinduse Samkhya și Vaisheshika, din timpul primelor secole d.Hr., au dezvoltat teorii despre lumină. Potrivit școlii Samkhya, lumina este unul dintre cele cinci elemente fundamentale (tanmatra). Școala Vaisheshika oferă o teorie atomică a lumii fizice pe terenul non-atomic al eterului, spațiului și timpului. (Vezi atomismul indian). Atomii de bază sunt cei ai pământului (prthivi), ai apei (pani), ai focului (agni), și ai aerului (vayu). Vishnu Purana se referă la lumina solară ca „cele șapte raze ale soarelui“.

Budiștii indieni, cum ar fi Dignāga în secolul al V-lea și Dharmakirti în secolul al VII-lea, au dezvoltat un tip de atomism care este o filosofie despre realitate fiind compusă din entități atomice care sunt fulgerări de lumină sau energie. Ei priveau lumina ca fiind o entitate atomică echivalentă cu energia.

Descartes

René Descartes (1596–1650) a susținut că lumina era o proprietate mecanică a corpului luminos, respingând „formele” lui Ibn al-Haytham și Witelo, precum și „speciile” lui Bacon, Grosseteste și Kepler. În 1637 a publicat o teorie a refracției luminii care presupunea, incorect, că lumina călătorea mai repede într-un mediu mai dens decât într-un mediu mai puțin dens. Deși Descartes a fost incorect în ceea ce privește viteza relativă, el a avut dreptate în a presupune că lumina se comporta ca o undă și a concluzionat că refracția ar putea fi explicată prin viteza luminii în diferite medii.

Descartes nu este primul pentru că folosește analogiile mecanice, ci pentru că afirmă clar că lumina este doar o proprietate mecanică a corpului luminos și a mediului de transmitere; teoria luminii a lui Descartes este considerată ca începutul opticii fizice moderne.

Teoria particulelor

Articol principal: Teoria corpusculară a luminii.

Pierre Gassendi.

Pierre Gassendi (1592–1655), un atomist, a propus o teorie a particulelor de lumină care a fost publicată postum în anii 1660. Isaac Newton a studiat opera lui Gassendi de la o vârstă fragedă și a preferat punctul său de vedere teoriei lui plenum a lui Descartes.

El a afirmat în Ipoteza luminii din 1675 că lumina era compusă din corpusculi (particule de materie) care erau emiși în toate direcțiile de la o sursă. Unul dintre argumentele lui Newton împotriva naturii de undă a luminii a fost că se știa că undele se îndoaie în jurul obstacolelor, în timp ce lumina călătorea doar în linii drepte. Cu toate acestea, el a explicat fenomenul difracției luminii (care fusese observat de Francesco Grimaldi) prin faptul că o particulă de lumină poate crea o undă localizată în eter.

Teoria lui Newton poate fi utilizată pentru a prezice reflexia luminii, dar poate explica refracția doar presupunând incorect că lumina accelerează atunci când intră într-un mediu optic mai dens, deoarece gravitația este mai puternică. Newton a publicat versiunea finală a teoriei sale în Opticks, în 1704. Reputația sa a ajutat teoria particulelor luminii să se mențină în secolul al XVIII-lea. Teoria particulelor luminii l-a determinat pe Laplace să susțină că un corp ar putea fi atât de masiv încât lumina nu ar putea „scăpa” din el. Cu alte cuvinte, ar deveni ceea ce astăzi se numește o gaură neagră. Laplace și-a retras sugestia mai târziu, după ce teoria ondulatorie a devenit ferm stabilită ca model pentru lumină (așa cum s-a explicat, nici teoria particulelor nici teoria ondulatorie nu sunt pe deplin corecte). O traducere a eseului lui Newton despre lumină apare în Structura pe scară largă a spațiului-timp, de Stephen Hawking și George F. R. Ellis.

Faptul că lumina ar putea fi polarizată a fost pentru prima dată explicat calitativ de Newton folosind teoria particulelor. Étienne-Louis Malus în 1810 a creat o teorie a polarizării matematice a particulelor. Jean-Baptiste Biot în 1812 a arătat că această teorie explica toate fenomenele cunoscute de polarizare a luminii. În acel moment, polarizarea era considerată drept dovada teoriei particulelor.

Teoria undelor

Pentru a explica originea culorilor, Robert Hooke (1635–1703) a dezvoltat o „teorie a pulsului” și a comparat răspândirea luminii cu cea a undelor din apă în lucrarea sa din 1665 Micrographia. În 1672, Hooke a sugerat că vibrațiile luminii ar putea fi perpendiculare pe direcția de propagare. Christiaan Huygens (1629–1695) a elaborat o teorie matematică a luminii în 1678 și a publicat-o în Tratat despre lumină în 1690. El propunea că lumina era emisă în toate direcțiile ca o serie de unde într-un mediu numit eter luminifer. Deoarece undele nu sunt afectate de gravitație, s-a presupus că acestea încetinesc la intrarea într-un mediu mai dens.

Christiaan Huygens.

Teoria undelor prezice că undele luminoase pot interfera între ele la fel ca undele sonore (așa cum a fost remarcat în jurul anului 1800 de Thomas Young). Young a arătat prin intermediul unui experiment de difracție că lumina se comportă ca o undă. El sugerează, de asemenea, că diferite culori sunt cauzate de diferite lungimi de undă ale luminii și a explicat viziunea culorilor prin 3 receptori de culoare diferiți în ochiul uman. Un alt susținător al teoriei undelor a fost Leonhard Euler.

Schița lui Thomas Young a unui experiment cu dublă fantă care arată difracția. Experimentele lui Young au susținut teoria conform căreia lumina constă din unde.

În Nova theoria lucis et colorum (1746) el a arătat că difracția ar putea fi mai ușor explicată printr-o teorie a undelor. În 1816, André-Marie Ampère i-a dat lui Augustin-Jean Fresnel ideea că polarizarea luminii poate fi explicată prin teoria undelor dacă lumina ar fi o undă transversală. Mai târziu, Fresnel a elaborat în mod independent propria teorie de undă a luminii și a prezentat-o Academiei Franceze de Științe în 1817.

Punctul slab al teoriei undelor era că undele luminoase, precum undele sonore, ar avea nevoie de un mediu pentru transmisie. Existența substanței ipotetice luminiferous aether propusă de Huygens în 1678 a fost puternic pusă la îndoială la sfârșitul secolului al XIX-lea de experimentul Michelson-Morley.

Teoria corpusculară a lui Newton sugera că lumina ar călători mai repede într-un mediu mai dens, în timp ce teoria undelor lui Huygens și a altora implica opusul. În acel moment, viteza luminii nu putea fi măsurată suficient de precis pentru a decide care teorie era corectă. Primul care a făcut o măsurare suficient de precisă a fost Léon Foucault, în 1850. Rezultatul său a susținut teoria undelor, iar teoria clasică a particulelor a fost în cele din urmă abandonată, pentru a reapărea parțial în secolul al XX-lea.

Teoria electromagnetică

Articol principal: Radiație electromagnetică.

James Clerk Maxwell

În 1845, Michael Faraday a descoperit că unghiul de polarizare a luminii putea fi modificat prin aplicarea unui câmp magnetic asupra acestuia (efectul Faraday). Aceasta a fost prima dovadă că lumina era legată de electromagnetism. Un an mai tâziu, el a speculat că lumina ar putea fi o formă de perturbare care se propagă de-a lungul liniilor câmpului magnetic. În 1847 el a propus că lumina este o vibrație electromagnetică de înaltă frecvență, care se poate propaga chiar și în absența unui mediu precum eterul.

Lucrarea lui Faraday l-a inspirat pe James Clerk Maxwell să studieze radiația electromagnetică și lumina. Maxwell a descoperit că undele electromagnetice cu auto-propagare călătoresc prin spațiu cu o viteză constantă, care s-a întâmplat să fie egală cu viteza luminii măsurată anterior. Din aceasta, Maxwell a ajuns la concluzia că lumina este o formă de radiație electromagnetică: el a declarat acest rezultat pentru prima dată în 1862 în On Physical Lines of Force. În 1873, a publicat un Tratat de electricitate și magnetism, care conținea o descriere matematică completă a comportamentului câmpurilor electrice și magnetice și care a devenit cunoscut sub numele de ecuațiile lui Maxwell. La scurt timp, Heinrich Hertz a confirmat teoria lui Maxwell experimental prin generarea și detectarea undelor radio în laborator și demonstrând că aceste unde s-au comportat exact ca lumina vizibilă, prezentând proprietăți precum reflexie, refracție, difracție și interferență. Teoria lui Maxwell și experimentele lui Hertz au condus direct la dezvoltarea radioului, radarului, televiziunii, comunicații fără fir și altele.

În teoria cuantică, fotonii sunt văzuți ca pachete de unde ale undelor descrise în teoria clasică a lui Maxwell. Teoria cuantică a fost necesară pentru a explica efectele chiar și cu lumina vizuală pe care teoria clasică a lui Maxwell nu le putea explica (cum ar fi liniile spectrale).

Teoria cuantică

Max Planck este considerat părintele teoriei cuantice.

În 1900, Max Planck, încercând să explice radiația corpului negru, a sugerat că, deși lumina era o undă, aceste unde puteau câștiga sau pierde energie numai în cantități finite legate de frecvența lor. Planck a numit acești „bulgări” de energie luminoasă „cuante” (din latinescul quantum ce derivă din adjectivul interogativ quantus însemnând „cât”). În 1905, Albert Einstein a folosit ideea cuantelor de lumină pentru a explica efectul fotoelectric și a sugerat că aceste cuante de lumină aveau o existență „reală”.

În 1923 Arthur Holly Compton a arătat că deplasarea lungimii de undă a radiației X împrăștiate (difuzate) în urma ciocnirii cu electroni cvasi-liberi (așa numitul efect Compton) putea fi explicată printr-o teorie a particulelor de raze X, dar nu cu ajutorul teoriei ondulatorii. Conform acesteia din urmă, radiația electromagnetică împrăștiată ar avea aceeași lungime de undă cu cea incidentă. În 1926 Gilbert N. Lewis a numit aceste particule de lumină fotoni.

În cele din urmă, teoria modernă a mecanicii cuantice a ajuns să descrie lumina ca (într-un anumit sens) atât o particulă cât și o undă, și (într-un alt sens), ca un fenomen care nu este nici o particulă și nici o undă. În schimb, fizica modernă vede lumina ca fiind ceva care poate fi descris uneori cu matematică adecvată unui tip de metaforă macroscopică (particule) și, uneori, o altă metaforă macroscopică (unde), dar este de fapt ceva ce nu poate fi complet imaginat. La fel ca în cazul undelor radio și al razelor X implicate în efectul Compton, fizicienii au observat că radiația electromagnetică tinde să se comporte mai mult ca o undă clasică la frecvențe mai mici și mai mult ca o particulă clasică la frecvențe mai mari, dar nu pierde niciodată complet calitățile uneia sau alteia. Lumina vizibilă, care ocupă un punct de mijloc în frecvență, poate fi ușor arătată în experimente pentru a putea fi descrisă utilizând fie un model de undă sau particule, fie uneori ambele.

În februarie 2018, oamenii de știință au raportat, pentru prima dată, descoperirea unei noi forme de lumină, care poate implica polaritoni, care ar putea fi utilă în dezvoltarea calculatoarelor cuantice.

Simbolismul luminii

Lumina are o puternică valoare simbolică; făcând posibilă perceperea obiectelor înainte de a le atinge, este asociată, în toate culturile umane, cu cunoașterea, în timp ce opoziția dintre lumină și întuneric este legată de cele dintre viață și moarte, dintre bine și rău. Proprietatea luminii de a fi transmisă la distanță fără suport material alimentează o metaforă veche, care o asociază cu ideile.

Filosoful grec Plotin a fost primul care a legat în mod explicit lumina de frumusețe, punând bazele pentru ceea ce va deveni ulterior estetica luminii. Pseudo-Dionisie Areopagitul a formulat conceptul de frumusețe ca „armonie și lumină” (ἐυαρμοστία καί ἀγλαία, consonantia et claritas în latină), care a exercitat o influență enormă asupra conceptului creștin de frumusețe, precum și asupra reprezentării artistice. Filosoful scolastic Robert Grosseteste a creat o cosmologie bazată pe lumină: Dumnezeu este o sursă de lumină, iar universul este alcătuit dintr-un flux de energie luminoasă din care emană frumusețea și ființa. Din această lumină unică derivă sferele și elementele astrale, precum și culorile și volumul lucrurilor.

În multe religii antice zeitatea a fost identificată cu lumina, precum Baal, Ra sau Ahura Mazda. Biblia începe cu expresia Fiat lux! „să se facă lumină!” (Ge 1:3), adăugând că „Dumnezeu a văzut că lumina era bună” (Ge 1:4). Sfintele Scripturi identifică lumina cu Dumnezeu și Iisus mergând până acolo încât afirmă: „Eu sunt lumina lumii, oricine mă urmează nu va umbla în întuneric, căci vor avea lumina vieții” (Ioan, 8:12).

Lumina în artă

Chemarea Sfântului Matei, de Caravaggio, 1599–1600, descrie momentul în care Iisus Hristos îl inspiră pe Matei să-l urmeze.

Tratamentul luminii în artă este unul dintre cele mai importante teme ale tehnicilor artistice ale fiecărei arte (în special artele vizuale). Leonardo da Vinci descrie în detaliu semnificația luminii și a umbreu. „Umbra este o lipsă de lumină și doar rezistența corpurilor opace care împiedică razele de lumină. Prin natura sa, umbra aparține întunericului, în timp ce lumina, prin natura sa, aparține luminozității. Una se ascunde, cealaltă dezvăluie.”

Lumina are o mare valoare estetică, deoarece combinația sa cu umbra și cu anumite efecte de lumină și culoare poate determina compoziția operei și imaginea pe care artistul dorește să o proiecteze. Reprezentarea tehnică a luminii a evoluat de-a lungul istoriei picturii și au fost create de-a lungul timpului diverse tehnici, cum ar fi: umbrirea, clarobscurul, estomparea sau tenebrismul. Accentul major acordat expresiei luminii în pictură se numește „luminism”. În terminologia artistică, „lumina” se numește punctul sau centrul difuziei luminii a compoziției unui tablou sau a părții luminoase a unui tablou în raport cu umbrele. Acest termen este folosit pentru a descrie modul în care o pictură este iluminată: lumină aeriană (raze verticale), lumină înaltă (raze oblice), lumină dreaptă (raze orizontale), lumină de atelier sau studio (lumină artificială) etc.

În raport cu distribuția luminii în pictură, aceasta poate fi: „omogenă”, atunci când este distribuită în mod egal, „duală”, în care figurile ies în evidență pe un fundal întunecat sau „insertivă”, atunci când luminile și umbrele sunt corelate. Lumina iluminatoare poate afecta în diferite moduri pictura: „lumină focală”, atunci când prezintă direct un obiect emitent de lumină („lumină tangibilă”) sau provine dintr-o sursă externă care luminează pictura („lumină intangibilă”). „Lumină difuză”, cea care estompează contururile, ca în sfumato a lui Leonardo da Vinci. „Lumina reală”, cea care încearcă să capteze lumina Soarelui într-un mod realist, o încercare aproape utopică folosită în special de artiști precum Claude Lorrain, JMW Turner sau impresioniști. „Lumina ireală”, care nu are nici o bază naturală sau științifică și este mai aproape de o lumină simbolică, ca în iluminarea figurilor religioase. În ceea ce privește intenția artistului, lumina poate fi „compozițională”, atunci când ajută la compoziția picturii sau „lumină conceptuală”, atunci când servește la îmbunătățirea mesajului, de exemplu, iluminând o anumită parte a picturii și lăsând restul în întuneric, așa cum făcea Caravaggio.

Spre deosebire de arhitectură și sculptură, unde lumina este reală, cea a spațiului înconjurător, în pictură lumina este reprezentată, deci răspunde voinței artistului atât în aspectele sale fizice cât și estetice. Pictorul determină iluminarea picturii, adică originea și incidența luminii, care marchează compoziția și expresia imaginii.

• 
  Sfântul Petru în închisoare, de Rembrandt, 1631
• 
  Clasa de dans, de Edgar Degas, 1871-1874
• 
  Visul lui Endymion, de Anne-Louis Girodet de Roussy-Trioson, 1791
• 
  O baie în Asnières, de Georges Seurat, 1884-1886

În arhitectură, lumina este o resursă esențială. Încă de la începutul istoriei arhitecturii, arhitecții acordând o atenție deosebită orientării clădirii. Orientare convențională est-vest, permite luarea în considerare a luminii naturale de dimineață până seara, părțile însorite și umbrite, și chiar variația sezonieră. Utilizarea iluminatului artificial în interiorul clădirilor, în funcție de diferitele utilizări ale acestora (case, locuri de muncă, agrement, cult, reprezentare politică etc.) este una dintre cele mai importante funcții ale disciplinei numite design interior.

• 
  Sala oglinzilor, Palatul Versailles, arhitectură barocă
• 
  Scara Casei Tassel, de Victor Horta, modernism
• 
  Interiorul Casei de pe cascadă, de Frank Lloyd Wrigh
• 
  Interiorul Casei Parlamentlui din Bangladesh

Fotografia este, în sine, o artă a luminii, întrucât lumina este materialul ei de lucru, care produce impresia imaginilor de pe placa fotografică. Iluminarea naturală sau artificială în fotografie este una dintre părțile esențiale ale tehnicii și artei fotografice, alături de încadrare.

Lumina în societate

La fel ca focul, lumina este unul dintre cele mai importante fenomene pentru toate culturile. Lumina generată artificial permite oamenilor de astăzi să ducă o viață confortabilă și sigură, chiar și în timpul nopții și în încăperi acoperite (peșteri, clădiri).

Lumina apare într-o serie de expresii: „a face lumină” (a scoate adevărul la suprafață, a clarifica), „lumina de la capătul tunelului” (reprezintă speranța), „om luminat” (instruit, calificat), „a lumina drumul cuiva” (a călăuzi, a conduce spre țintă), „a ieși la lumină” (a ieși la suprafață), „a se lumina la chip” (a căpăta o expresie de mulțumire, de bucurie, a se însenina), „a vedea lumina zilei” (echivalent cu naștere), „a fi în lumina reflectoarelor” (a fi în centrul atenției), „a-și pierde lumina” (a deveni palid, șters).

Un luminiș, nu numai că descrie o zonă fără copaci din pădure, însă termenul (Lichtung) joacă un rol în filosofia despre ființă și adevăr la Martin Heidegger, ca ne-ascundere. Poetul Lucian Blaga a fost numit „Poetul luminii”, lumina, cuprinzând sugestia unei forțe lăuntrice, fiind simbolul ce a dominat traseul existențial al poetului.

UNESCO a declarat anul 2015 „Anul internațional al luminii”. În întreaga lume au avut loc evenimente în acel an care s-au referit la importanța luminii pentru știință și societate. În noiembrie 2017, Comitetul executiv al UNESCO a proclamat „ziua internațională a luminii”, care se sărbătorește pe 16 mai în fiecare an începând cu 2018.

Vezi și

• Luminozitate
• Temperatură de culoare
• Principiul lui Fermat
• Principiul Huygens–Fresnel
• Spectroscopie
• Poluare luminoasă
• Fototerapie
• Optică
• Laser
• Văz

Legături externe

• Materiale media legate de Lumină la Wikimedia Commons
• Glenn Stark. „Light (physics)”. Encyclopædia Britannica.