„Tatínku, co je to světlo,“ zeptal se mě jednou můj synek. V hlavě se mi začaly okamžitě vybavovat, rojit a honit všechny fyzikální poučky a zákony, které jsem za léta strávená ve škole slyšel, ale jak jednoduše odpovědět na tuto otázku? Rozhodl jsem se, že odpověď hodím na své kamarády, a tak jsme se vypravili za kolegy z Úžasného divadla fyziky (ÚDiF), aby synovi ukázali světlo v jeho nejzajímavějších podobách.
Světlo se šíří jako paprsek, začal nám vysvětlovat a pomocí laserového ukazovátka předvádět kamarád. „Paprsky, které se kříží, se vzájemně neovlivňují,“ dodal a hned to ukázal pomocí dvou různobarevných laserových ukazovátek. Skutečně, oba paprsky prošly skrz sebe naprosto nezměněny.
Na rozhraních dvou prostředí, například vzduchu a vodní hladiny, se světelné paprsky odrážejí a lámou. Odraz nastává pod stejným úhlem, pod jakým paprsek na rozhraní dopadl. U lomu se uplatňuje princip nejkratšího času, kterým se světlo snaží překonat vzdálenost mezi dvěma body za nejkratší možný čas, a proto je jeho dráha zalomená. Pomocí paprskové (geometrické) optiky jsme schopni popsat převážnou část jevů, se kterými se běžně setkáváme a činnost řady praktických optických přístrojů, od brýlí přes dalekohledy různých typů až po mikroskopy.
Zdálo by se tedy, že nás u světla nemůže nic překvapit, že všechno už víme. Chystali jsme se už pomalu domů, když nám další z fyziků ukázal pestrobarevný odlesk na cédéčku. Po chvilce přemýšlení, jsem musel přiznat porážku, že tohle pomocí paprsků nevysvětlím.
Uvedený příklad a mnoho dalších totiž nejde vysvětlit představou světla šířícího se jako paprsek. Lze je ovšem uspokojivě vysvětlit, pokud světlo popisujeme nikoli jako paprsek, ale jako vlnu. Zní to bizarně, ale co nám kluci a holky z ÚDiFu předvedli, nás přivedlo k údifu – světlo se ohýbá a dostává do oblasti geometrického stínu. Světlo se nešíří jako paprsek!
Pomocí laserového ukazovátka a hedvábných šátků nám pak fyzici předvedli několik pokusů, na kterých jsme si všimli zajímavých vlastností difrakce neboli ohybu světla:
- Difrakční obrazec obsahuje světlá a tmavá místa, která se střídají (světlá místa nazýváme maxima a tmavá naopak minima).
- Obrazec vzniklý difrakcí není hrou světla a stínu. Stačilo pohybovat šátkem v rovině nahoru, dolů a do stran ve svazku laserového ukazovátka a obrazec zůstával nezměněn.
- Vzhled obrazce závisí na vlnové délce (barvě) světla. Obrazec je jiný, když přes stejný šátek posvítíme červeným a současně zeleným laserem. Pozorujeme, že vzdálenosti maxim u červeného laseru jsou jiné než u zeleného.
- Difrakční obrazec závisí na velikosti štěrbin. Podobně jako při změně barvy laseru procházejícím mezerami šátku, se změní vzdálenosti maxim, pokud máme různě velké mezery v pletení šátku.
- Velikost překážky nebo mezery je pro pozorování jevu klíčová.
- Obrazce závisí na tvaru překážky (na kruhovém otvoru vzniknou soustředné kružnice maxim a minim).
- Dopadem bílého světla na záznamovou plochu CD, která představuje difrakční mřížku, se bílé světlo rozkládá na spektrum, protože se každá barva ohýbá pod jiným úhlem a tím se jednotlivé barvy z bílého světla oddělí.
Vědci a technici využívají difrakce třeba při zkoumání složení povrchu hvězd a planet nebo chemického složení látek při laboratorních testech. Difrakce způsobuje omezení rozlišení mikroskopů, dalekohledů a radioteleskopů.
Ohyb světla ale není pouze záležitostí pro fyziky a techniky, jeho vlastností obratně využívali a pohrávali si s ní i někteří malíři. Jedním z nich byl G. P. Seurat. Jeho obraz Nedělní odpoledne na ostrově La Grande Jatte byl vytvořen ve své době novou technikou, nazývanou pointilismus.
Obraz nebyl malován souvislými tahy štětce, ale vytečkován. Uvádí se, že na jeho vytvoření bylo zapotřebí kolem tří miliónů různobarevných teček. Seurat věděl, že pokud budou vedle sebe dvě různobarevné tečky, dojde v oku k smísení od nich odraženého světla, a tak se výsledné barvy obrazu nemíchají pouze na umělcově paletě, ale také v oku každého, kdo se na obraz dívá.
Mohu směle prohlásit, že výklad o světle, který se nám dostal, byl naprosto vyčerpávající. Syn během cesty domů v tramvaji usnul tak tvrdě, že se probudil až druhý den ráno. Věřím ale, že teď už ví, že světlo není jen opakem tmy, ale že ho můžeme popisovat jako paprsek, nebo jako vlnu. A už se těším na další návštěvu v laboratoři, až se mě syn zeptá, proč se tonik rozsvítí modrozeleně, když na něj posvítím UV diodou, zatímco sklenice s vodou ne, ale k této otázce a k její odpovědi musí ještě trochu dorůst.
Na popsané jevy se také můžete podívat díky videosérii Badatelna, kterou připravuje Masarykova univerzita ve spolupráci s ÚDIF, a to v dílech Jak funguje ohyb světla a Jak se stát neviditelným.
