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Die Frage, wie Licht durch den Raum wandert, ist eines der beständigen Geheimnisse der Physik. In modernen Erklärungen ist es ein Wellenphänomen, das kein Medium benötigt, um sich auszubreiten. Nach der Quantentheorie verhält es sich unter bestimmten Umständen auch wie eine Ansammlung von Partikeln. Für die meisten makroskopischen Zwecke kann sein Verhalten jedoch beschrieben werden, indem es als Welle behandelt und die Prinzipien der Wellenmechanik angewendet werden, um seine Bewegung zu beschreiben.
Elektromagnetische Schwingungen
Mitte des 19. Jahrhunderts stellte der schottische Physiker James Clerk Maxwell fest, dass Licht eine Form von elektromagnetischer Energie ist, die sich in Wellen bewegt. Die Frage, wie dies in Abwesenheit eines Mediums gelingt, erklärt sich aus der Art der elektromagnetischen Schwingungen. Wenn ein geladenes Teilchen vibriert, erzeugt es eine elektrische Schwingung, die automatisch eine magnetische auslöst. Physiker visualisieren diese Schwingungen häufig in senkrechten Ebenen. Die gepaarten Schwingungen breiten sich von der Quelle nach außen aus; Es ist kein Medium außer dem elektromagnetischen Feld, das das Universum durchdringt, erforderlich, um sie zu leiten.
Ein Lichtstrahl
Wenn eine elektromagnetische Quelle Licht erzeugt, bewegt sich das Licht als eine Reihe konzentrischer Kugeln nach außen, die entsprechend der Schwingung der Quelle voneinander beabstandet sind. Licht nimmt immer den kürzesten Weg zwischen einer Quelle und einem Ziel. Eine Linie, die von der Quelle zum Ziel senkrecht zu den Wellenfronten verläuft, wird als Strahl bezeichnet. Weit entfernt von der Quelle degenerieren sphärische Wellenfronten in eine Reihe paralleler Linien, die sich in Richtung des Strahls bewegen. Ihr Abstand definiert die Wellenlänge des Lichts, und die Anzahl solcher Linien, die einen bestimmten Punkt in einer bestimmten Zeiteinheit passieren, definiert die Frequenz.
Die Lichtgeschwindigkeit
Die Frequenz, mit der eine Lichtquelle vibriert, bestimmt die Frequenz - und Wellenlänge - der resultierenden Strahlung. Dies wirkt sich direkt auf die Energie des Wellenpakets - oder des Wellenstoßes, der sich als Einheit bewegt - aus, wie es der Physiker Max Planck Anfang des 20. Jahrhunderts festgestellt hat. Wenn das Licht sichtbar ist, bestimmt die Schwingungsfrequenz die Farbe. Die Lichtgeschwindigkeit wird jedoch nicht von der Schwingungsfrequenz beeinflusst. In einem Vakuum sind es immer 299.792 Kilometer pro Sekunde (186, 282 Meilen pro Sekunde), ein Wert, der mit dem Buchstaben "c" bezeichnet wird. Nach Einsteins Relativitätstheorie reist nichts im Universum schneller als dies.
Brechung und Regenbogen
Licht bewegt sich in einem Medium langsamer als in einem Vakuum, und die Geschwindigkeit ist proportional zur Dichte des Mediums. Diese Geschwindigkeitsänderung bewirkt, dass sich das Licht an der Grenzfläche zweier Medien biegt - ein Phänomen, das als Brechung bezeichnet wird. Der Biegewinkel hängt von der Dichte der beiden Medien und der Wellenlänge des einfallenden Lichts ab. Wenn auf ein transparentes Medium einfallendes Licht aus Wellenfronten verschiedener Wellenlängen besteht, biegt sich jede Wellenfront in einem anderen Winkel und das Ergebnis ist ein Regenbogen.