Valistunutta tietoa valosta
Sitä tulee tuutin täydeltä taivaalta päiväsaikaan ja varsinkin kesäisin. Sitä lähtee niin kynttilöistä kuin lampuista ja näytöstä, jolla tätä artikkelia luette. Se on yksi maailman itsestäänselvimmistä ja arkisimmista asioista ja kuitenkin ilman sitä elämä maapallolla olisi käytännöllisesti katsottuna mahdotonta. Puhumme tietysti valosta ja tämän artikkelin tarkoituksena on selvittää, mitä valo oikeastaan on.
Kuva: Zouavman Le Zouave / CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
Valo on aaltoja
Luonnossa on havaittu esiintyvän neljänlaista tapaa, jolla fysikaaliset oliot (eli aine, kentät ja kaikki kuviteltavissa olevat kappaleet) kykenevät vuorovaikuttamaan toistensa kanssa. Näitä vuorovaikutuksia ovat kaikkien tuntema painovoima eli gravitaatio, sähkömagneettinen vuorovaikutus sekä atomien ytimissä jylläävät heikot ja vahvat vuorovaikutukset. Valon näistä saa aikaan sähkömagneettinen vuorovaikutus. Aikanaan on nimittäin pystytty osoittamaan, että valo on niin sanottua sähkömagneettista säteilyä eli sähkömagneettisia aaltoja.
Mutta mitä on sähkömagneettinen aalto? Mikä aaltoilee ja missä? Kuvittele aluksi kenttä, joka täyttää koko avaruuden niin, että vaikka menisit minne tahansa, olisit silti korviasi myöten tässä kentässä. Tätä kenttää kutsutaan sähkömagneettiseksi kentäksi ja juuri siellä aaltoilu tapahtuu.
Aallot syntyvät kun sähkömagneettisen kentän muodostamien sähkö- ja magneettikenttien suunnissa tai voimakkuuksissa tapahtuu muutoksia. Tämän voivat fysiikassa pitkälle päässeet lukijat todeta Maxwellin kenttäyhtälöistä.
Muutos sähkö- ja magneettikenttien suunnassa ja voimakkuudessa voidaan saada aikaan esimerkiksi muuttamalla sähkökentän lähteinä toimivien varauksellisten olioiden, kuten elektronien, liikettä. Eli jos sinulla on esimerkiksi tasaisessa liikkeessä etenevä elektroni, jonka menet julmuuttasi pysäyttämään, muutat tällöin elektronin liikettä ja synnytät sähkömagneettisen aallon.
Valo on tietynlaisia aaltoja
Syntynyt aalto ei kuitenkaan välttämättä ole sitä kaikkien tunnistamaa valoa. Valo, sellaisena kuin minä ja sinä sen ymmärrämme, on vain tietynlaista sähkömagneettista säteilyä. Säteilyn tyyppi riippuu sen aallonpituudesta.
Sähkömagneettisen aallon aallonpituus voi vaihdella muutamasta pikometristä (1 pm = 0,000000000001 m) aina useisiin kilometreihin asti. Ihmissilmän havaitsema näkyvä valo sijaitsee aallonpituusalueilla 400–700 nm (1 nm = 0,000000001 m). Aistimme tämän suuruisen sähkömagneettisen säteilyn erivärisinä valoina siten, että pienin näkyvän valon aallonpituus nähdään violettina valona ja suurin punaisena.
Näkyvän valon aallonpituuden ulkopuolelle jäävät esimerkiksi violetin valon aallonpituutta pienemmät ultravioletti, sairaaloissa käytettävä röntgensäteily ja ihmisellä vaarallinen gammasäteily. Punaisen valon aallonpituutta suurempia ovat infrapuna, mikro- ja radioaallot. Huolimatta eri aallonpituisten sähkömagneettisten säteilyjen laadullisista eroista, ne kaikki kulkevat tyhjiössä samalla 299,796,000 m/s suuruisella nopeudella. Tätä nopeutta kutsutaan valonnopeudeksi ja se on suurin nopeus, jolla yksikään tuntemamme fysikaalinen olio voi universumissamme liikkua.
Kuva: EM spectrum/Ykstoinen / CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
Valo on hiukkasia
Ehkä hämmästyttävin ominaisuus valossa on se, että se on aaltojen lisäksi myös hiukkasia. Näitä valon hiukkasia kutsutaan fotoneiksi. Fotonit ovat siinä mielessä outoja hiukkasia, että vaikka niillä onkin liikemäärä, ei niillä tästä huolimatta ole massaa.
Se kumpaa selitystapaa, aaltoa vai hiukkasta, valosta käytetään, riippuu tarkasteltavasta fysikaalisesta tilanteesta. Esimerkiksi valon heijastumiseen ja taipumiseen liittyvät tilanteet selittyvät parhaiten valon aaltoluonteella. Toisaalta, esimerkiksi Comptonin ilmiössä, jossa valo ”tönäisee” tiellään olevia elektroneja, tarvitaan selitykseksi valon hiukkasluonnetta. Hiljattain on myös saatu aikaan koe, jossa molemmat valon luonteet esiintyvät yhtä aikaa.