Lig: Verskil tussen weergawes

Lig is 'n vorm van [[Elektromagnetiese straling|elektromagnetiese straling]] en die golfgeaardheid daarvan bring mee dat dit aan breking, buiging en weerkaatsing onderworpe is. Die hedendaagse teorie oor lig het sy beslag gekry uit die kennis oor die reglynige voortplanting van lig (uit die [[Oudheid]]), die voorstelling van lig as golwe of deeltjies (17e eeu) en die ontdekking dat lig ander lig kan uitdoof (19e eeu). Die snelheid waarmee lig voortgeplant word, blyk 'n fundamentele grootheid te wees wat 'n belangrike rol speel in die formulering van die [[Relatiwiteitsteorie|relatiwiteitsteorie.]].

Reeds van [[oudsher]] af was dit bekend dat lig reglynig voortgeplant word, ken die mens die begrip "[[ligstraal]]" en is die gedrag van ligstrale by weerkaatsing en breking ondersoek. Die eerste wet wat die breking van lig by die oorgang van een medium na 'n ander korrek beskryf, is egter eers in die 17e eeu deur Snellius (1591-1626) geformuleer.

In ʼn poging om die [[Wet van Snellius|wet van Snellius]] te verklaar, het Isaac Newton (1643-1727) vir hom 'n ligstraal as ʼn bundel klein deeltjies voorgestel. Die deeltjies sou volgens Newton in 'n ruimte reglynig voortgeplant en teen 'n spieël weerkaats word, byna soos wanneer korreltjies teen ʼn harde wand bots. By breking sou die deeltjies volgens die wet van Snellius dan stadiger in lug (yl) as in [[water]] of [[glas]] (dig) voortbeweeg.

In teenstelling met [[Newton se bewegingswette|Newton]], het [[Christiaan Huygens]] (1629-1695) lig as golwe beskou en in sy werk ''Traité de la lumière'' te kenne gegee dat lig soos geluidsgolwe in die lug of soos oppervlakgolwe in die water voortgeplant is. Om die voortplanting van liggolwe deur 'n [[lugleegte]] te verklaar, het hy veronderstel dat daar 'n uiters dun [[fluïdum]] (eter) bestaan.

Die [[Eter (chemie)|eter]] sou dan oral teenwoordig wees, in lugleegtes sowel as in stowwe, en die lig sou rimpels in die eter verteenwoordig. Die reglynige voortplanting, die weerkaatsing en die breking van lig het volgens Huygens met die van golwe in gasse en vloeistowwe ooreengekom. Om sy teorie oor breking te staat, moes hy aanvaar dat die lig, in teenstelling met Newton se opvatting, vinniger in lug (yl) as in water ot glas beweeg. [[Pierre de Fermat]] (1601-1665) het ook geprobeer om die gedrag van lig te verklaar en tot die gevolgtrekking gekom dat lig stadiger beweeg namate die media digter word.

Eers omstreeks die middel van die vorige eeu het [[Armand Fizeau]] (1819-1896) daarin geslaag om die snelheid van lig in water en lug te bereken, en kon hy bevestig dat dit in stryd was met die opvatting van Newton. Teen die tyd is Huygens se golfteorie oor lig egter reeds sterk aangehang, en is daar begin met die verbetering en die uitbouing daarvan. [[Thomas Young]] (1773-1829) het byvoorbeeld die gedagte geopper dat wanneer die styging van een golf die daling in 'n ander golf sou tref, die golwe mekaar sou teenwerk en die resultaat in 'n egalige gebied in die eter nie meer as lig waargeneem sou word nie.

Lig plus lig sou dan in der waarheid duisternis veroorsaak. Die verskynsel, bekend as interferensie, is deur Young met behulp van eksperimente geïllustreer. In die stadium is daar van die veronderstelling uitgegaan dat lig uit longitudinale golwe, dit wil sê uit afwisselende verdigtings en verdunnings van die eter, bestaan. [[Etienne Louis Malus]] (1775-1812) het egter in 1809 vasgestel dat wanneer 'n lig bundel deur 'n bepaalde optiese stelsel (polariseerder) gestuur word, dit besondere eienskappe vertoon, deur byvoorbeeld uit sekere rigtings deur die stelsel te gaan en nie uit ander rigtings nie.

Thomas Young het op grond hiervan in 1817 tot die gevolgtrekking gekom dat die eienskappe van gepolariseerde lig slegs verklaar kon word deur aan te neem dat die liggolwe ot -trillings transversaal, dit wil sê dwars, op die voortplantingsrigting voortgeplant word. Oor die algemeen sou lig dan in enige rigting dwars op die voortplantingsrigting beweeg en die polariseerder, byna soos 'n sit, net die lig wat in 'n sekere rigting beweeg, deurlaat. Aangesien slegs longitudinale golwe deur 'n gas kan beweeg, het daar toe verwarring ontstaan oor hoe lig dan eintlik voortgeplant word.

'n Aanvaarbare verklaring vir die gedrag van Jig kon eers gegee word met die ontwikkeling van die teorie van elektromagnetisme. In 1862 het [[James Clerk Maxwell]] (1831-1879) sy teorie oor elektromagnetiese golwe geformuleer, waaruit dit duidelik geword het dat daar elektriese sowel as [[Magnetiese velde|magnetiese velde]] met golwe geassosieer kan word. In 1865 het Maxwell die afleiding gemaak dat 'n kombinasie van elektriese en magnetiese velde as transversale trillingsverskynsels in die ruimte voortgeplant word, met ʼn snelheid wat met die van lig ooreenkom.

So het hy tot die gevolgtrekking gekom dat lig ook 'n vorm van elektromagnetiese straling is. Die golflengte van liggolwe blyk tussen 400 en 800  nm te wees (I nm=10^{- 9} m). Dit was egter nog moeilik om te bepaal waaraan die energie van lig toegeskryf kon word, en daar is van die veronderstelling uitgegaan dat ligenergie eweredig was aan die sterkte van die elektriese en magnetiese velde. In 1905 het Albert Einstein (1879-1955), na aanleiding van eksperimente oor die fotoëlektriese uitwerking van lig, op.

Die moontlikheid gewys dat afgesien van elektromagnetiese golwe, lig ook klein golfpakkies ofte wel fotone beval. [[Foton|Fotone]]e blyk die kleinste moontlike ligeenhede te wees met energie eweredig aan die golflengte en snelheid van lig. Die gedrag van fotone herinneraan die deeltjieteorie van Newton, hoewel Newton deeltjies met voortplanting en nie met energie in verband gebring het nie. Fotone is dus alleen van betekenis by die oordrag van energie wanneer 'n ligpuls ʼn deeltjie tref, terwyl golwe op al die voortplantingsverskynsels betrekking het. Hierdie golfdeeltjie-aard van lig bring mee dat daar van die dubbelaard van lig gepraat word.

Aan die begin van die 17e eeu was daar meningsverskil oor wat die snelheid van lig sou wees. [[René Descartes|Rene Descartes]] (1596-1650) het byvoorbeeld gemeen dat lig oneindig vinnig beweeg, terwyl [[Galileo Galilei]] die teenoorgestelde geglo het. [[Olaus Rӧmer]] (1644-1710) het bevestig dat hoewel geweldig vinnig, lig nie oneindig vinnig beweeg nie, en 'n redelik goeie skatting van die snelheid van lig gemaak deur die verduistering van een van Jupiter se mane dop te hou.

Die [[Jupiter-maan]] het 'n onreëlmatige verduisteringspatroon gehad, en volgens Rӧmer sou dit nie waarneembaar gewees het as lig oneindig vinnig beweeg het nie. Deur die afwykings (in [[tyd]]) van die Jupiter-maan met die afstand tussen die aarde en Jupiter in verband te bring, het hy die snelheid van lig op 'n derde van die werklike snelheid geskat. Hoewel [[James Bradley]] (1692-1762) saam met Rӧmer gestem en selfs 'n akkurater skatting van ligsnelheid gemaak het, was [[Armand Fizeau]] (1819-1896) die een wat ligsnetheid met 'n betroubare toestel gemeet het.

Hy het van 'n snel draaiende [[tandrat]] en 'n spieël gebruik gemaak en Huygens se teorie bevestig dat lig stadiger deur water as lug sou beweeg. Die gemete snelheid van lig in water was 225 000  km/s teenoor die 300 000  km/s in lug.

Die elektriese en magnetiese eienskappe van atome oefen ʼn groot invloed uit op die voortplanting van lig deur 'n stof. ʼn [[Atoom]] kan as 'n dipool (dubbelpolige element) beskou word met die kern as die positiewe en die elektrone as die negatiewe gedeelte. Die rigting van die dipool (die verbindingslyn tussen die kern en elektrone) verander voortdurend (in 'n trilbeweging) as gevolg van die rotasie van die [[Elektron|elektroneelektron]]e om die kern, en namate die dipool tril, word elektromagnetiese strale uitgesend.

Die snelheid van lig speel 'n belangrike rol in die relatiwiteitsteorie. Volgens die teorie is groothede soos tyd, afstand en ruimte relatief tot ander groothede en nie absoluut of konstant nie. Hoewel tyd byvoorbeeld voorheen as 'n fundamentele eenheid, waarmee alle ander groothede in verband gebring moes word, beskou is, kon die fisikus [[Albert Einstein]] bewys dat slegs die snelheid van lig, en nie tyd of enigiets anders nie, absoluut ofte wel konstant is.