Šviesa yra elektromagnetinės spinduliuotės forma, kurios bangos ilgį gali aptikti žmogaus akis. Tai nedidelė elektromagnetinio spektro dalis ir spinduliuotė, kurią skleidžia tokios žvaigždės kaip Saulė. Gyvūnai taip pat gali matyti šviesą. Optika, šviesos tyrimo sritis, nagrinėja jos plitimą, sąveiką su medžiaga bei prietaisų, tokių kaip lęšiai ar teleskopai, veikimą. Kai šviesa pataiko į nepermatomą objektą, jis užstoja šviesos spindulius ir susidaro šešėlis.

Kas yra šviesa — banga ir dalelė

Šviesa turi tiek bangines, tiek dalelines savybes. Ji sklinda kaip banga, turinti bangos ilgį ir dažnį, tačiau vienu metu egzistuoja ir kaip mažyčiai energijos paketai — fotonai. Fotonų energija susijusi su dažniu formulėje E = hν (čia h — Planko konstanta, ν — dažnis). Kvantinė šviesos prigimtis paaiškina reiškinius, kurių banginė teorija vien tik nebeaprašo, pavyzdžiui, fotoefektą.

Matomas spektras ir spalvos

Žmogaus akis skiria skirtingus bangos ilgius kaip skirtingas spalvas. Matoma šviesa paprastai apima bangų ilgius maždaug nuo 380 nm iki 750 nm (nanometrų). Vaivorykštės atskleidžia visą matomą spektrą, o atskiros spalvos dažnai išvardijamos: raudona, oranžinė, geltona, žalia, mėlyna, indigo ir violetinė. Už matomos srities kyla kitos elektromagnetinės bangos: mažesnio dažnio už raudoną yra infraraudonieji spinduliai, o didesnio už violetinę — ultravioletiniai.

Pagrindinės šviesos savybės

  • Intensyvumas — šviesos energijos srautas per plokštelės plotą; matuojamas, pavyzdžiui, liuksais (illuminance) arba kandelomis.
  • Poliarizacija — bangų vibracijos kryptis; dalis šviesos gali būti dalinai arba visiškai poliarizuota.
  • Fazė — svarbi interferencijos ir koherencijos reiškiniams; lazerių spinduliai dažnai yra didelės koherencijos.
  • Orbitinis kampinis momentas — šviesos laukas gali turėti sukamuosius komponentus, svarbius optinių spindulių sukimui ir mikrojudesiams valdyti.

Šviesa ir medžiaga: plitimas ir sąveikos

Šviesa plinta tiesiai vakuume ir beveik visuose skaidriuose terpe, greitis vakuume yra maždaug 299 792 458 m/s. Sąveikaujant su medžiaga, šviesa gali:

  • Atspindėti (pagal atspindžio dėsnį kampas tarp atšokusio spindulio ir normalės lygus krintančio kampui) — todėl matome veidrodyje atsispindintį objektą.
  • Lūžti — keičiasi spindulio kryptis pereinant iš vienos terpės į kitą; šį reiškinį aprašo Snellio dėsnis, o dispersija sukelia spalvinį skaidymą (vaivorykštė, lęšių spalvinės aberacijos).
  • Sklisti (difrakcija) — bangos plinta už kampų ir per plyšius, sukeldamos interferencines gaires.
  • Absorbuoti — medžiaga sugeria fotonus, jų energija pavirsta šiluma ar sukelia elektronų perėjimus (pvz., fotosintezėje arba fotoelektros efektu).
  • Sklisti (sklaida) — smulkūs dalelės atmosfera sklaido trumpesnius bangos ilgius labiau, dėl to dangus atrodo mėlynas (Raleigh sklaida).

Interferencija, koherencija ir lazeriai

Interferencija — superpozicija dviejų ar daugiau bangų — paaiškina raiškias juostas ant plonų plėvelių ar difrakcines gaires. Koherentinė šviesa (pvz., iš lazerio) turi pastovią fazinę sąsają ir leidžia pasiekti stiprų interferencinį efektą. Lazeriai generuoja kryptingą, dažnai poliarizuotą bei didelės koherencijos šviesą, plačiai naudojamą moksle, pramonėje ir medicinoje.

Žmogaus rega

Žmogaus tinklainėje yra dvi pagrindinės fotoreceptorių rūšys: pusiukai (rods), jautrūs silpnam apšvietimui, ir konusai, atsakingi už spalvų suvokimą ir geresnę skiriamąją gebą. Skirtingi konusų tipai reaguoja į skirtingą bangos ilgių diapazoną, todėl kartu su smegenimis jie suformuoja spalvų pojūtį. Apšvietimo intensyvumas, kontrastas ir spalvinė temperatūra lemia, kaip aiškiai ir tiksliai mes matome objektus.

Praktinės reikšmės ir panaudojimas

Šviesa yra kertinė technologijų ir gamtos procesų dalis: ji būtina optinėms priemonėms (lęšiai, mikroskopai, teleskopai), komunikacijoms (optinės skaidulos), medicinos procedūroms (endoskopija, lazerinė chirurgija), bei biologiniams procesams, pvz., fotosintezei. Tyrimai optikoje ir kvantiniuose fotonikos laukuose nuolat plečia taikomųjų galimybių ribas.

Pastabos apie vartojimą fizikoje

Fizikoje terminas šviesa kartais naudojamas platesne prasme ir apima bet kokio bangos ilgio elektromagnetinę spinduliuotę — matomą arba nematomą. Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama matomai šviesai; platesnei sąvokai žr. straipsnį apie elektromagnetinę spinduliuotę, kuriame aptariami visi spektro regionai.