Når lyset går gjennom glassvinduene i denne kirken, går det mye saktere gjennom glasset enn det gjør i lufta på begge sider av glasset. Dette er glassmaleriene i den franske kirken Sainte-Chapelle i Paris. (Bilde: Justin Black / Shutterstock / NTB scanpix)
Hvorfor virker det som om lyset går saktere gjennom glass?
SPØR EN FORSKER: Dette mystiske fenomenet viser seg i mange forskjellige materialer som lys passerer gjennom, og sier noe om hva lys egentlig er.
Dette er noe vi egentlig blir utsatt for hver eneste dag. Hver gang lys går gjennom brilleglassene dine eller gjennom vinduet ditt, blir lyshastigheten dramatisk mye lavere inne i glasset.
Allikevel virker det som om lysets hastighet endres hele tiden. Lys gjennom vanlig glass går i «bare» 200.000 kilometer per sekund, mens synlig lys gjennom grunnstoffet Germanium kravler seg gjennom i fislete 53.000 kilometer i sekundet, bare 18 prosent av den faktiske lyshastigheten.
Så hva er det egentlig som skjer når lyset virker som om det sakker ned, når teoriene om universet vårt sier at lysets hastighet er konstant?
– I visse sammenhenger er det lettere å forstå hva som skjer i naturen hvis man tenker på lys som bølger, sier Bjørn Samset, fysiker og forskningsdirektør ved Cicero senter for klimaforskning.
En leser har sendt inn spørsmål om dette fenomenet til oss, og vi skal gjøre vårt beste med å gi en slags innføring i temaet, men dette er fryktelig kompliserte saker.
– Vi kan regne ut hva som skjer, men jeg tror nesten ikke det er mulig å ta intuitivt i hodet, sier Bjørn Samset til forskning.no. Han er fysiker og forskningsdirektør ved Cicero, men han har også skrevet en bok om lys som kom ut i 2018.
Fenomenet
Alle har sett at lyset blir bøyd av i glass eller vann, som at armen din ser «knekt» ut når du stikker den ned i badekaret.
Fenomenet kalles refraksjon, og det utnyttes i mange forskjellige ingeniørløsninger. For eksempel brille- eller kameralinser bruker refraksjon til å fokusere lyset.
Et meget tydelig illustrasjonsbilde som viser refraksjon. Blyantene ser knekt ut. (Bilde: Pat_Hastings / Shutterstock / NTB scanpix)
– Lysbrytning og refraksjon er jo blant de helt grunnleggende spørsmålene om lys, som ble diskutert allerede i antikken, sier Samset.
Denne avbøyningen henger sammen med hvilken hastighet lyset beveger seg gjennom materialet.
– Dette kan virke veldig rart hvis man ikke går en forklaringsrunde først, sier Samset til forskning.no.
Med en mer intuitiv måte å forstå verden på, har man kanskje et bilde i hodet av hva som skjer inne i glasset. Glass og vann er tettere materialer enn luft, så man kan kanskje ser for seg at lyset møter flere atomer og spretter mellom de tette atomene i materialet.
Dermed kan selve lyset gå akkurat like fort, det reiser bare lengre gjennom materialet. Men denne forklaringen fungerer ikke, siden lyset ville kommet ut av materialet tilfeldig fordelt, hvis det bare spretter mellom atomer.
I virkeligheten kommer det ut som samlet lys, akkurat som da det gikk inn. Verden ser (nesten) lik ut både med og uten briller.
Michael Merrifield, professor i astronomi ved Universitetet i Nottingham, går gjennom denne og andre forklaringer i en video, hvis du vil se mer.
Hva er lys?
Annonse
Så hva er det som skjer her? Moderne fysikk beskriver lys som at det både oppfører seg litt som en bølge og litt som en partikkel.
Hvis du vil forstå mer om hva det egentlig betyr at lyset oppfører seg både som bølger og partikler, kan vi anbefale en fantastisk video om et av de mest utrolige fysikkeksperimentene som har blitt gjort: Det svært berømte dobbeltspalte-eksperimentet.
– I visse sammenhenger er det lettere å forstå hva som skjer i naturen hvis man tenker på lys som bølger, sier Samset.
– Lyset brer seg som en bølge, men det kommer noe i veien som forstyrrer denne bølgen, nemlig atomene i materialet den skal gjennom.
Før vi går videre, er det et konsept som vi må innom. Lys er egentlig elektromagnetisk stråling, en av de fundamentale naturkreftene. Radiobølger fra mobiltelefonen din, røntgenstråler hos tannlegen og sollys er den samme typen stråling, bare med forskjellige egenskaper.
Synlig lys er den delen av elektromagnetisk stråling vi kan se.
Dette er det elektromagnetiske spektrumet, som viser hva slags bølger- og bølgelengder som finne i spektrumet. Den lille boksen som er uthevet med en sol i midten er synlig lys, det vi bare kaller lys til hverdags. (Bilde: brgfx / Shutterstock / NTB scanpix)
Men elektromagnetisme har mange forskjellige oppgaver i naturen. Den samme kraften holder elektronene fast i atomene, så synlig lys vil påvirke kraften som holder atomer sammen.
Dette er atomstrukturen i glass, som består av oksygen og silisium. Se for deg at en bølge kommer inn og sprer seg mellom atomene, som begynner å vibrere med samme frekvens som bølgen. (Bilde: Jdrweitt)
Kikk nøye på bildet til høyre. Dette viser atomstrukturen i glass, men det kan være et hvilket som helst materiale som lyset skal skal gjennom.
– Når lyset kommer bølgende inn, får det elektronene i atomene til å bølge like fort som lysbølgen. Da sier vi at de bølger i samme frekvens.
Lysbølgene får kanskje flere tusen milliarder atomer til å vibrere. Men når elektronene vibrerer skaper dette nye elektromagnetiske bølger, som igjen påvirker alle elektronene rundt.
Disse bølgene ser vi som lys i materialet. Siden bølgene vibrerer med samme frekvens som lyset som kommer inn, vil dette skape lys med den samme fargen gjennom materialet.
– Disse bølgene sendes videre gjennom materialet med samme frekvens og retning.
Annonse
Dermed vil lyset forbli uforandret gjennom materialet.
Det blir som om en bølge på vannoverflaten skulle fått mange små gjenstander på overflaten til å begynne å vibrere når bølgen traff dem. De sender bølgen videre med samme frekvens til nye ting som begynner å lage sine egen bølger. Alle disse bølgene begynner å påvirke hverandre.
– Da skjer det mye på en gang, sier Samset. Bølgene forsterker og utsletter hverandre og summeres opp til nye bølger.
Denne samhandlingen mellom atomene og de elektromagnetiske bølgene tar tid og forskyver bølgene, noe som sammen skaper en tregere sammenlagt hastighet gjennom materialet, selv om selve lyshastigheten ikke endrer seg.
Som annen fysikkprofessor ved universitetet i Nottingham, Phil Moriarty understreker i en annen video om refraksjon, dette er en kollektiv prosess i materialet.
Men som vi allerede har vært inne på, er dette et fenomen som er vanskelig å forstå, selv for de som kan regne på dette. På fysikkforumet Physics Stack Exchange har dette blitt diskutert opp og ned, så det er bedre på å se på denne artikkelen som en grov innføring.
Men vi er ikke helt ferdige enda. Som det ble nevnt tidligere i artikkelen, kan lys sees på som både partikler og bølger. Partiklene kalles fotoner, og her kommer den kvantefysiske forklaringen på verden inn.
Det er mulig å regne ut at lysets sammenlagte hastighet vil være tregere gjennom materialet ved å regne med fotoner, men da må du ta høyde for absolutt alle mulige veier fotonene kan ta gjennom materialet, sier Moriarty.
Og det er viktig å forstå at det ikke er de samme fotonene som kommer inn i glasset som kommer ut, men nye fotoner som sendes mellom atomene, på samme måte som bølgene sendes videre mellom elektroner i eksempelet over.
– Du kan beskrive det som den samme energien, men det er ikke de samme fotonene, sier Samset.
