Işık

Bir beyaz ışık demetini dağıtan üçgen bir prizma. Daha uzun dalga boyları (kırmızı) ve daha kısa dalga boyları (mavi) birbirinden ayrılır. ⓘ

Işık veya görünür ışık, elektromanyetik spektrumun insan gözü tarafından algılanan kısmındaki elektromanyetik radyasyondur. Görünür ışık genellikle 400-700 nanometre (nm) aralığında, 750-420 terahertz frekanslarına karşılık gelen, kızılötesi (daha uzun dalga boylu) ve morötesi (daha kısa dalga boylu) arasında dalga boylarına sahip olarak tanımlanır. ⓘ

Fizikte "ışık" terimi, görünür olsun ya da olmasın, herhangi bir dalga boyundaki elektromanyetik radyasyona daha geniş bir şekilde atıfta bulunabilir. Bu anlamda gama ışınları, X-ışınları, mikrodalgalar ve radyo dalgaları da ışıktır. Işığın temel özellikleri yoğunluk, yayılma yönü, frekans veya dalga boyu spektrumu ve polarizasyondur. Vakumdaki hızı, saniyede 299 792 458 metre (m/s), doğanın temel sabitlerinden biridir. Tüm elektromanyetik radyasyon türleri gibi, görünür ışık da elektromanyetik alanın kuantumunu temsil eden foton adı verilen kütlesiz temel parçacıklar tarafından yayılır ve hem dalga hem de parçacık olarak analiz edilebilir. Optik olarak bilinen ışık çalışması, modern fizikte önemli bir araştırma alanıdır. ⓘ

Dünya üzerindeki doğal ışığın ana kaynağı Güneş'tir. Tarihsel olarak, insanlar için bir diğer önemli ışık kaynağı, eski kamp ateşlerinden modern gazyağı lambalarına kadar ateş olmuştur. Elektrikli ışıkların ve güç sistemlerinin gelişmesiyle birlikte, elektrikli aydınlatma etkin bir şekilde ateş ışığının yerini almıştır. ⓘ

Işığın özellikleri arasında şiddeti, yayılma yönü, frekansı, kutuplanması ve vakumda 299,792,458 m/s olan hızı yer alır. ⓘ

Elektromanyetik spektrum ve görünür ışık

Görünür kısmı vurgulanmış elektromanyetik spektrum ⓘ

Genel olarak elektromanyetik radyasyon (EMR) dalga boyuna göre radyo dalgaları, mikrodalgalar, kızılötesi, ışık olarak algıladığımız görünür spektrum, ultraviyole, X-ışınları ve gama ışınları olarak sınıflandırılır. "Radyasyon" tanımlaması statik elektrik, manyetik ve yakın alanları hariç tutar. ⓘ

EMR'nin davranışı dalga boyuna bağlıdır. Yüksek frekanslar daha kısa dalga boylarına, düşük frekanslar ise daha uzun dalga boylarına sahiptir. EMR tek atom ve moleküllerle etkileşime girdiğinde, davranışı taşıdığı kuantum başına enerji miktarına bağlıdır. ⓘ

Görünür ışık bölgesindeki EMR, moleküller içinde elektronik uyarıma neden olabilecek enerjilerin alt ucunda bulunan ve molekülün bağında veya kimyasında değişikliklere yol açan kuantumlardan (fotonlar olarak adlandırılır) oluşur. Görünür ışık spektrumunun alt ucunda, EMR insanlar için görünmez hale gelir (kızılötesi) çünkü fotonları artık insan retinasındaki görsel molekül retinalde kalıcı bir moleküler değişikliğe (konformasyonda bir değişiklik) neden olmak için yeterli bireysel enerjiye sahip değildir, bu değişiklik görme hissini tetikler. ⓘ

Kuantum emilimi yoluyla olmasa da çeşitli kızılötesi türlerine duyarlı olan hayvanlar da vardır. Yılanlarda kızılötesi algılama, küçük hücresel su paketlerinin kızılötesi radyasyon tarafından sıcaklığının yükseltildiği bir tür doğal termal görüntülemeye bağlıdır. Bu aralıktaki EMR moleküler titreşime ve ısınma etkilerine neden olur, bu da bu hayvanların onu nasıl algıladığını gösterir. ⓘ

Görünür ışık aralığının üzerinde, ultraviyole ışık insanlar için görünmez hale gelir, çünkü çoğunlukla 360 nm'nin altında kornea ve 400 nm'nin altında iç lens tarafından emilir. Ayrıca, insan gözünün retinasında bulunan çubuklar ve koniler çok kısa (360 nm'nin altında) ultraviyole dalga boylarını algılayamaz ve aslında ultraviyole tarafından zarar görür. Mercek gerektirmeyen gözlere sahip birçok hayvan (böcekler ve karidesler gibi), kuantum foton emilim mekanizmalarıyla, insanların görünür ışığı algıladığı kimyasal yolla ultraviyole algılayabilmektedir. ⓘ

Çeşitli kaynaklar görünür ışığı 420-680 nm gibi dar bir aralıktan 380-800 nm gibi geniş bir aralığa kadar tanımlamaktadır. İdeal laboratuvar koşullarında insanlar en az 1.050 nm'ye kadar kızılötesini görebilir; çocuklar ve genç yetişkinler yaklaşık 310-313 nm'ye kadar ultraviyole dalga boylarını algılayabilir. ⓘ

Bitki büyümesi de fotomorfogenez olarak bilinen bir süreç olan ışığın renk spektrumundan etkilenir. ⓘ

Işık hızı

Fondachelli-Fantina, Sicilya'daki Rocca ill'Abissu'nun oyuğunun içindeki güneş ışığı demeti ⓘ

Işığın boşluktaki hızı tam olarak 299 792 458 m/s (yaklaşık olarak saniyede 186,282 mil) olarak tanımlanır. SI birimlerindeki ışık hızının sabit değeri, metrenin artık ışık hızına göre tanımlanmasından kaynaklanmaktadır. Elektromanyetik radyasyonun tüm formları boşlukta tam olarak aynı hızda hareket eder. ⓘ

Tarih boyunca farklı fizikçiler ışık hızını ölçmeye çalışmışlardır. Galileo on yedinci yüzyılda ışık hızını ölçmeye çalışmıştır. Işık hızını ölçmeye yönelik ilk deneylerden biri 1676 yılında Danimarkalı bir fizikçi olan Ole Rømer tarafından gerçekleştirilmiştir. Rømer bir teleskop kullanarak Jüpiter'in ve uydularından biri olan Io'nun hareketlerini gözlemledi. Io'nun yörüngesinin görünür periyodundaki tutarsızlıklara dikkat çekerek, ışığın Dünya'nın yörüngesinin çapını kat etmesinin yaklaşık 22 dakika sürdüğünü hesapladı. Ancak, o zamanlar Dünya'nın büyüklüğü bilinmiyordu. Eğer Rømer Dünya'nın yörüngesinin çapını bilseydi, 227.000.000 m/s'lik bir hız hesaplayabilirdi. ⓘ

Işık hızının daha doğru bir başka ölçümü Avrupa'da 1849 yılında Hippolyte Fizeau tarafından gerçekleştirilmiştir. Fizeau bir ışık demetini birkaç kilometre uzaktaki bir aynaya yönlendirdi. Işık demeti kaynaktan aynaya giderken ve sonra kaynağına geri dönerken yoluna dönen bir dişli çark yerleştirildi. Fizeau, belirli bir dönüş hızında ışının giderken çarktaki bir boşluktan, geri dönerken de bir sonraki boşluktan geçeceğini buldu. Aynaya olan mesafeyi, çarktaki diş sayısını ve dönüş hızını bilen Fizeau, ışığın hızını 313 000 000 m/s olarak hesaplayabildi. ⓘ

Léon Foucault 1862 yılında 298.000.000 m/s değerini elde etmek için dönen aynalar kullanarak bir deney gerçekleştirmiştir. Albert A. Michelson 1877'den 1931'deki ölümüne kadar ışık hızı üzerine deneyler yapmıştır. Foucault'nun yöntemlerini 1926'da geliştirilmiş döner aynalar kullanarak ışığın Wilson Dağı'ndan Kaliforniya'daki San Antonio Dağı'na gidiş-dönüş süresini ölçmek için rafine etti. Hassas ölçümler sonucunda 299 796 000 m/s'lik bir hız elde etti. ⓘ

Sıradan madde içeren çeşitli saydam maddelerdeki ışığın etkin hızı, vakumdakinden daha azdır. Örneğin, ışığın sudaki hızı vakumdakinin yaklaşık 3/4'ü kadardır. ⓘ

İki bağımsız fizikçi ekibinin ışığı rubidyum elementinin Bose-Einstein yoğunlaşmasından geçirerek "tamamen durma noktasına" getirdikleri söylenmiştir; ekiplerden biri Cambridge, Massachusetts'teki Harvard Üniversitesi ve Rowland Bilim Enstitüsü'nde, diğeri ise yine Cambridge'deki Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi'ndedir. Ancak, bu deneylerde ışığın "durdurulduğuna" dair popüler tanımlama, ışığın yalnızca atomların uyarılmış durumlarında depolandığını ve daha sonra ikinci bir lazer atımı tarafından uyarıldığı gibi keyfi bir zamanda yeniden yayıldığını ifade eder. "Durduğu" süre boyunca ışık, ışık olmaktan çıkmıştır. ⓘ

Optik

Işığı ve ışığın maddeyle etkileşimini inceleyen fiziğin alt dalına optik denir. Gökkuşağı, kuzey ışıkları gibi ışıkla ilgili olaylar optik olaylar olarak adlandırılır. Işığın doğasından kaynaklanan birtakım olaylar vardır: ⓘ

Kırılma

Kırılma nedeniyle, suya batırılan pipet bükülmüş ve cetvel ölçeği sığ bir açıdan bakıldığında sıkıştırılmış görünür. ⓘ

Kırılma, ışık ışınlarının saydam bir malzeme ile diğeri arasındaki bir yüzeyden geçerken bükülmesidir. Snell Yasası ile tanımlanır:

$n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}\ .$ ⓘ

Burada θ₁ ışın ile birinci ortamdaki yüzey normali arasındaki açı, θ₂ ışın ile ikinci ortamdaki yüzey normali arasındaki açı ve n₁ ve n₂ kırılma indisleridir, vakumda n = 1 ve saydam bir maddede n > 1. ⓘ

Bir ışık demeti vakum ile başka bir ortam arasındaki veya iki farklı ortam arasındaki sınırı geçtiğinde, ışığın dalga boyu değişir, ancak frekansı sabit kalır. Eğer ışık demeti sınıra ortogonal (ya da daha doğrusu normal) değilse, dalga boyundaki değişim ışının yönünde de bir değişikliğe neden olur. Bu yön değişikliği kırılma olarak bilinir. ⓘ

Merceklerin kırılma niteliği, görüntülerin görünen boyutunu değiştirmek amacıyla ışığı manipüle etmek için sıklıkla kullanılır. Büyüteçler, gözlükler, kontakt lensler, mikroskoplar ve kırıcı teleskoplar bu manipülasyonun örnekleridir. ⓘ

Kırılma ışığın bir ortamdan başka bir ortama geçerken yönünün değişmesidir. Sudaki cisimlerin gerçektekinden daha yakında görünmesinin sebebi budur. Kırılma açısı 1621 yılında Willebord Snell tarafından hesaplanmıştır ve Snell Yasası olarak bilinir. ⓘ

Işık kaynakları

Birçok ışık kaynağı vardır. Belirli bir sıcaklıktaki bir cisim, karakteristik bir siyah cisim radyasyonu spektrumu yayar. Basit bir termal kaynak güneş ışığıdır, Güneş'in kromosferinden yaklaşık 6,000 kelvin (5,730 santigrat derece; 10,340 Fahrenheit derece) sıcaklıkta yayılan radyasyon, dalga boyu birimlerinde çizildiğinde elektromanyetik spektrumun görünür bölgesinde zirve yapar ve yere ulaşan güneş ışığı enerjisinin kabaca %44'ü görünürdür. Bir başka örnek de, enerjilerinin yalnızca yaklaşık %10'unu görünür ışık olarak ve geri kalanını kızılötesi olarak yayan akkor ampullerdir. Tarihte yaygın bir termal ışık kaynağı alevlerdeki parlayan katı parçacıklardır, ancak bunlar da radyasyonlarının çoğunu kızılötesinde ve sadece bir kısmını görünür spektrumda yayarlar. ⓘ

Kara cisim spektrumunun zirvesi, insan gibi nispeten soğuk cisimler için derin kızılötesinde, yaklaşık 10 mikrometre dalga boyundadır. Sıcaklık arttıkça, tepe noktası daha kısa dalga boylarına kayar ve önce kırmızı, sonra beyaz ve son olarak da tepe noktası spektrumun görünür kısmından çıkıp morötesine doğru ilerledikçe mavi-beyaz bir renk üretir. Bu renkler metal "kırmızı sıcak" veya "beyaz sıcak" olarak ısıtıldığında görülebilir. Mavi-beyaz termal emisyon, yıldızlar haricinde pek görülmez (bir gaz alevinde veya bir kaynakçı meşalesinde yaygın olarak görülen saf mavi renk aslında moleküler emisyondan, özellikle de CH radikallerinden kaynaklanır (425 nm civarında bir dalga boyu bandı yayar ve yıldızlarda veya saf termal radyasyonda görülmez). ⓘ

Atomlar karakteristik enerjilerde ışık yayar ve soğurur. Bu, her atomun spektrumunda "emisyon çizgileri" üretir. Emisyon, ışık yayan diyotlarda, gaz deşarj lambalarında (neon lambalar ve neon tabelalar, cıva buharlı lambalar vb. gibi) ve alevlerde (sıcak gazın kendisinden gelen ışık - örneğin, bir gaz alevindeki sodyum karakteristik sarı ışık yayar) olduğu gibi kendiliğinden olabilir. Emisyon ayrıca bir lazer veya mikrodalga maserde olduğu gibi uyarılabilir. ⓘ

Elektron gibi serbest yüklü bir parçacığın yavaşlaması görünür radyasyon üretebilir: siklotron radyasyonu, senkrotron radyasyonu ve bremsstrahlung radyasyonu bunun örnekleridir. Bir ortam içinde ışık hızından daha hızlı hareket eden parçacıklar görünür Cherenkov radyasyonu üretebilir. Bazı kimyasallar kemolüminesans yoluyla görünür radyasyon üretir. Canlılarda bu süreç biyolüminesans olarak adlandırılır. Örneğin, ateş böcekleri bu yolla ışık üretir ve suda hareket eden tekneler planktonları rahatsız ederek parlayan bir dümen suyu oluşturabilir. ⓘ

Bazı maddeler daha enerjik radyasyonla aydınlatıldıklarında ışık üretirler, bu süreç floresan olarak bilinir. Bazı maddeler daha enerjik radyasyonla uyarıldıktan sonra yavaşça ışık yayarlar. Bu fosforesans olarak bilinir. Fosforesan maddeler atom altı parçacıklarla bombardıman edilerek de uyarılabilir. Katodolüminesans buna bir örnektir. Bu mekanizma katot ışınlı tüp televizyonlarda ve bilgisayar monitörlerinde kullanılır. ⓘ

Renkli yapay aydınlatma ile aydınlatılan Hong Kong. ⓘ

Diğer bazı mekanizmalar da ışık üretebilir:

• Biyolüminesans
• Cherenkov radyasyonu
• Elektrolüminesans
• Sintilasyon
• Sonolüminesans
• Tribolüminesans ⓘ

Işık kavramının çok yüksek enerjili fotonları (gama ışınları) içermesi amaçlandığında, ek üretim mekanizmaları şunları içerir:

• Parçacık-antiparçacık yok oluşu
• Radyoaktif bozunma ⓘ

Renklerin karışımı ⓘ

Renkli ışıklar birbirlerinin üzerine düşürüldüğünde buna Toplama usulü karıştırma denilir. Buna göre; ⓘ

• Kırmızı ışık + Yeşil ışık = Sarı ışık
• Kırmızı ışık + Mavi ışık = Magenta ışık
• Yeşil ışık + Mavi ışık = Camgöbeği ışık
• Yeşil Işık + Mavi Işık + Kırmızı Işık =Beyaz Işık
• Sarı Işık + Mavi Işık = Yeşil Işık ⓘ

Ancak bu sistem boyaların karıştırması farklı bir yöntemdir. Boyaların karıştırılmasına Çıkarma usulü karıştırma denilir. ⓘ

Güneş'in ışık yayması şu prensiple alakalıdır; dört helyum atomu füzyon (nükleer kaynaşma) aşamasında açığa bir enerji çıkarır bu da şu an güneşin çekirdeğinde gerçekleşen bir olgudur. Bir nevi maddenin kendine uygulanan kuvvete şiddetle direnç göstermesidir. Madde enerjiye karşı koymaya devam ettikten bir süre sonra ısı yaymaya başlar ve sonrasında maddeyi oluşturan elektronlar yeterli enerjiye sahip olduklarında bağlı oldukları atom’un yörüngesinden kaçacak gücü bulurlar. Elektronlar yörüngelerinden koparken ortaya bir enerji boşalması çıkar. Bu ışık olarak nitelenir. ⓘ

Standart ampulün çalışma mantığı da budur. Neon gazı ile doldurulmuş bir cam küre içine iki kutup arasına tungsten metali gerdirilir. Tungsten, üzerinden geçen elektrik enerjisi sonucu enerjiye tepki göstererek ışıma yapar. Tungstenin kaynama noktası çok yüksek bir metal olduğu için bu kuvvete karşı koyabilmektedir. Aksi halde metal erir ve ışıma sona erer. Şu an kullanılan tasarruflu lambalarda aynı mantıkla çalışır. Dairesel bir tüp içerisine xenon veya neon gazı sıkıştırılır (gazlar sıkıştırıldıklarında atomlar arasındaki fiziksel mesafe daralır bu da daha sağlıklı bir ışıma demektir). İki kutup arasında belli mesafede bir yol oluşturulmuş olur. Elektrik verildiğinde elektronlar bir kutuptan diğer kutba ksenon gazı yardımı ile akarlar bu esnada gaz bu etkiye tepki gösterir ve ışır. ⓘ

Ölçüm

Işık iki ana alternatif birim seti ile ölçülür: radyometri tüm dalga boylarında ışık gücü ölçümlerinden oluşurken, fotometri insan parlaklık algısının standartlaştırılmış bir modeline göre dalga boyu ağırlıklı ışığı ölçer. Fotometri, örneğin insan kullanımına yönelik Aydınlatmayı (aydınlatma) ölçmek için kullanışlıdır. ⓘ

Fotometri birimleri, insan gözünün ışığa nasıl tepki verdiğini dikkate alması bakımından çoğu fiziksel birim sisteminden farklıdır. İnsan gözündeki koni hücreleri, görünür spektrum boyunca farklı tepki veren üç tiptedir ve kümülatif tepki yaklaşık 555 nm dalga boyunda zirve yapar. Bu nedenle, aynı yoğunlukta (W/m²) görünür ışık üreten iki ışık kaynağının eşit derecede parlak görünmesi gerekmez. Fotometri birimleri bunu dikkate alacak şekilde tasarlanmıştır ve bu nedenle bir ışığın ne kadar "parlak" göründüğünün ham yoğunluktan daha iyi bir temsilidir. Işık etkinliği adı verilen bir nicelikle ham güçle ilişkilendirilirler ve iç ve dış mekanlarda çeşitli görevler için yeterli aydınlatmanın en iyi nasıl sağlanacağını belirlemek gibi amaçlar için kullanılırlar. Bir fotosel sensörü tarafından ölçülen aydınlatma, insan gözü tarafından algılanana karşılık gelmek zorunda değildir ve maliyetli olabilecek filtreler olmadan, fotoseller ve şarj bağlı cihazlar (CCD) bazı kızılötesi, ultraviyole veya her ikisine de yanıt verme eğilimindedir. ⓘ

Işık basıncı

Işık, yolundaki nesneler üzerinde fiziksel baskı uygular; bu olgu Maxwell denklemlerinden çıkarılabilir, ancak ışığın parçacık doğası ile daha kolay açıklanabilir: fotonlar çarparak momentumlarını aktarırlar. Işık basıncı, ışık demetinin gücünün ışık hızı olan c'ye bölünmesine eşittir.  c'nin büyüklüğü nedeniyle, ışık basıncının etkisi günlük nesneler için ihmal edilebilir düzeydedir.  Örneğin, bir milivatlık bir lazer işaretçi, aydınlatılan nesne üzerinde yaklaşık 3,3 pikonewtonluk bir kuvvet uygular; bu nedenle, lazer işaretçilerle bir ABD senti kaldırılabilir, ancak bunu yapmak için yaklaşık 30 milyar 1-mW lazer işaretçi gerekir.  Bununla birlikte, nanoelektromekanik sistemler (NEMS) gibi nanometre ölçekli uygulamalarda ışık basıncının etkisi daha önemlidir ve NEMS mekanizmalarını çalıştırmak ve entegre devrelerdeki nanometre ölçekli fiziksel anahtarları çevirmek için ışık basıncından yararlanmak aktif bir araştırma alanıdır. Daha büyük ölçeklerde, ışık basıncı asteroitlerin daha hızlı dönmesine neden olabilir ve bir yel değirmeninin kanatlarında olduğu gibi düzensiz şekillerine etki edebilir.  Uzay gemilerini uzayda hızlandıracak güneş yelkenleri yapma olasılığı da araştırılmaktadır. ⓘ

Crookes radyometresinin hareketi başlangıçta hafif basınca atfedilmiş olsa da, bu yorum yanlıştır; karakteristik Crookes dönüşü kısmi bir vakumun sonucudur. Bu, torkun neden olduğu (hafif) hareketin (sürtünmeye karşı tam dönüş için yeterli olmasa da) doğrudan ışık basıncından kaynaklandığı Nichols radyometresi ile karıştırılmamalıdır. Işık basıncının bir sonucu olarak Einstein 1909'da maddenin hareketine karşı koyacak "radyasyon sürtünmesi "nin varlığını öngörmüştür. Şöyle yazmıştır: "Radyasyon levhanın her iki tarafına da basınç uygulayacaktır. Levha hareketsizse, iki tarafa uygulanan basınç kuvvetleri eşittir. Ancak hareket halindeyse, hareket sırasında önde olan yüzeye (ön yüzey) arka yüzeyden daha fazla radyasyon yansıyacaktır. Dolayısıyla, ön yüzeye uygulanan geriye doğru basınç kuvveti, arka yüzeye etki eden basınç kuvvetinden daha büyüktür. Dolayısıyla, iki kuvvetin sonucu olarak, plakanın hareketine karşı koyan ve plakanın hızıyla birlikte artan bir kuvvet kalır. Biz bu sonucu kısaca 'radyasyon sürtünmesi' olarak adlandıracağız." ⓘ

Genellikle ışığın momentumu hareket yönü ile aynı hizadadır. Ancak, örneğin yayılan dalgalarda momentum yayılma yönünün tersindedir. ⓘ

Işıkla ilgili tarihsel teoriler, kronolojik sırayla

Klasik Yunan ve Helenizm

MÖ beşinci yüzyılda Empedokles her şeyin dört elementten oluştuğunu öne sürmüştür; ateş, hava, toprak ve su. Afrodit'in insan gözünü bu dört elementten yarattığına ve gözün içindeki ateşi yaktığına, bu ateşin de gözden parlayarak görmeyi mümkün kıldığına inanıyordu. Eğer bu doğruysa, insan gündüz olduğu kadar gece de görebilirdi, bu nedenle Empedokles gözlerden gelen ışınlar ile güneş gibi bir kaynaktan gelen ışınlar arasında bir etkileşim olduğunu varsaydı. ⓘ

MÖ yaklaşık 300 yılında Öklid, ışığın özelliklerini incelediği Optica'yı yazdı. Öklid ışığın düz çizgiler halinde hareket ettiğini varsaymış ve yansıma yasalarını tanımlayarak matematiksel olarak incelemiştir. Görmenin gözden çıkan bir ışının sonucu olduğunu sorguladı, çünkü bir kişinin gözlerini kapatıp gece açtığında yıldızları nasıl hemen gördüğünü sordu. Gözden çıkan ışın sonsuz hızda hareket ediyorsa bu bir sorun değildir. ⓘ

M.Ö. 55 yılında, daha önceki Yunan atomcularının fikirlerini devam ettiren Romalı Lucretius şöyle yazmıştır: "Güneşin ışığı ve ısısı; bunlar, itildiklerinde itilmenin verdiği yönde hava boşluğu boyunca fırlamak için zaman kaybetmeyen küçük atomlardan oluşur." (On the nature of the Universe'den). Daha sonraki parçacık teorilerine benzer olmasına rağmen, Lucretius'un görüşleri genel olarak kabul görmemiştir. Batlamyus (yaklaşık ikinci yüzyıl) Optik adlı kitabında ışığın kırılması hakkında yazmıştır. ⓘ

Klasik Hindistan

Eski Hindistan'da, Hindu Samkhya ve Vaisheshika okulları, MS ilk yüzyıllardan itibaren ışık üzerine teoriler geliştirmiştir. Samkhya okuluna göre ışık, kendilerinden kaba elementlerin ortaya çıktığı beş temel "süptil" elementten (tanmatra) biridir. Bu unsurların atomikliğinden özellikle bahsedilmez ve aslında sürekli oldukları kabul edilmiş gibi görünür. Öte yandan, Vaisheshika okulu eter, uzay ve zamanın atomik olmayan zemini üzerinde fiziksel dünyanın atomik bir teorisini verir. (Bkz. Hint atomculuğu.) Temel atomlar toprak (prthivi), su (pani), ateş (agni) ve havadır (vayu) Işık ışınları yüksek hızdaki tejas (ateş) atomlarının bir akışı olarak kabul edilir. Işık parçacıkları, tejas atomlarının hızına ve düzenlemelerine bağlı olarak farklı özellikler sergileyebilir. Vishnu Purana güneş ışığından "güneşin yedi ışını" olarak bahseder. ⓘ

Beşinci yüzyılda Dignāga ve yedinci yüzyılda Dharmakirti gibi Hintli Budistler, gerçekliğin anlık ışık veya enerji parlamaları olan atomik varlıklardan oluştuğuna dair bir felsefe olan bir tür atomizm geliştirmişlerdir. Işığı enerjiye eşdeğer atomik bir varlık olarak görmüşlerdir. ⓘ

Descartes

René Descartes (1596-1650) ışığın ışıklı cismin mekanik bir özelliği olduğunu savunmuş, İbnü'l Heysem ve Witelo'nun "formları" ile Bacon, Grosseteste ve Kepler'in "türleri "ni reddetmiştir. 1637'de ışığın kırılması üzerine, yanlış bir şekilde, ışığın daha yoğun bir ortamda daha az yoğun bir ortama göre daha hızlı hareket ettiğini varsayan bir teori yayınladı. Descartes bu sonuca ses dalgalarının davranışına benzeterek ulaşmıştır. Descartes göreli hızlar konusunda yanılmış olsa da, ışığın bir dalga gibi davrandığını varsaymakla ve kırılmanın ışığın farklı ortamlardaki hızıyla açıklanabileceği sonucuna varmakla doğruydu. ⓘ

Descartes mekanik analojileri ilk kullanan kişi değildir, ancak ışığın sadece ışıklı cismin ve iletici ortamın mekanik bir özelliği olduğunu açıkça ileri sürdüğü için Descartes'ın ışık teorisi modern fiziksel optiğin başlangıcı olarak kabul edilir. ⓘ

Parçacık teorisi

Pierre Gassendi ⓘ

Bir atomist olan Pierre Gassendi (1592-1655), 1660'larda ölümünden sonra yayınlanan bir ışık parçacık teorisi önermiştir. Isaac Newton, Gassendi'nin çalışmalarını erken yaşlarda incelemiş ve onun görüşünü Descartes'ın plenum teorisine tercih etmiştir. Newton 1675 tarihli Işık Hipotezi'nde ışığın bir kaynaktan her yöne yayılan cisimciklerden (madde parçacıkları) oluştuğunu belirtmiştir. Newton'un ışığın dalga doğasına karşı argümanlarından biri, dalgaların engeller etrafında büküldüğünün bilinmesine karşın ışığın sadece düz çizgiler halinde hareket etmesiydi. Bununla birlikte, ışığın kırınımı fenomenini (Francesco Grimaldi tarafından gözlemlenmişti), bir ışık parçacığının eterde lokalize bir dalga yaratabileceğine izin vererek açıkladı. ⓘ

Newton'un teorisi ışığın yansımasını tahmin etmek için kullanılabilirdi, ancak kırılmayı yalnızca ışığın daha yoğun bir ortama girdiğinde hızlandığını çünkü yerçekimsel çekimin daha büyük olduğunu varsayarak açıklayabilirdi. Newton teorisinin son halini 1704 tarihli Opticks adlı eserinde yayınlamıştır. Newton'un ünü, ışığın parçacık teorisinin 18. yüzyıl boyunca etkili olmasına yardımcı oldu. Işığın parçacık teorisi Laplace'ın bir cismin ışığın kendisinden kaçamayacağı kadar büyük olabileceğini savunmasına yol açtı. Başka bir deyişle, şimdi kara delik olarak adlandırılan şeye dönüşecektir. Laplace daha sonra, ışığın dalga teorisinin ışık için bir model olarak sağlam bir şekilde yerleşmesinden sonra önerisini geri çekti (açıklandığı gibi, ne parçacık ne de dalga teorisi tam olarak doğru değildir). Newton'un ışık üzerine yazdığı makalenin çevirisi Stephen Hawking ve George F. R. Ellis'in The large scale structure of space-time adlı kitabında yer almaktadır. ⓘ

Işığın polarize olabileceği gerçeği ilk kez Newton tarafından parçacık teorisi kullanılarak niteliksel olarak açıklanmıştır. Étienne-Louis Malus 1810'da kutuplaşmanın matematiksel bir parçacık teorisini oluşturdu. Jean-Baptiste Biot 1812'de bu teorinin bilinen tüm ışık polarizasyonu olgularını açıkladığını gösterdi. O zamanlar kutuplaşma, parçacık teorisinin kanıtı olarak kabul ediliyordu. ⓘ

Dalga teorisi

Renklerin kökenini açıklamak için Robert Hooke (1635-1703) bir "nabız teorisi" geliştirdi ve 1665 tarihli Micrographia ("Gözlem IX") adlı eserinde ışığın yayılmasını sudaki dalgaların yayılmasıyla karşılaştırdı. Hooke 1672'de ışığın titreşimlerinin yayılma yönüne dik olabileceğini öne sürdü. Christiaan Huygens (1629-1695) 1678'de ışığın matematiksel dalga teorisini geliştirdi ve bunu 1690'da Treatise on light (Işık Üzerine İnceleme) adlı eserinde yayınladı. Işığın, ışıklı eter adı verilen bir ortamda bir dizi dalga olarak her yöne yayıldığını öne sürdü. Dalgalar yerçekiminden etkilenmediğinden, daha yoğun bir ortama girdiklerinde yavaşladıkları varsayıldı. ⓘ

Christiaan Huygens. ⓘ

Thomas Young'ın kırınımı gösteren çift yarık deneyi taslağı. Young'ın deneyleri ışığın dalgalardan oluştuğu teorisini destekledi. ⓘ

Dalga teorisi, ışık dalgalarının ses dalgaları gibi birbirleriyle etkileşime girebileceğini öngörüyordu (1800 civarında Thomas Young tarafından belirtildiği gibi). Young, ışığın dalgalar gibi davrandığını bir kırınım deneyi aracılığıyla gösterdi. Ayrıca farklı renklerin ışığın farklı dalga boylarından kaynaklandığını öne sürdü ve renkli görmeyi gözdeki üç renkli reseptörler açısından açıkladı. Dalga teorisinin bir diğer destekçisi de Leonhard Euler'di. Nova theoria lucis et colorum (1746) adlı eserinde kırınımın bir dalga teorisi ile daha kolay açıklanabileceğini savunmuştur. 1816'da André-Marie Ampère, Augustin-Jean Fresnel'e, ışığın enine bir dalga olması durumunda ışığın kutuplaşmasının dalga teorisi ile açıklanabileceği fikrini verdi. ⓘ

Daha sonra Fresnel bağımsız olarak kendi ışık dalga teorisini geliştirdi ve 1817'de Académie des Sciences'a sundu. Siméon Denis Poisson, Fresnel'in matematiksel çalışmasına eklemeler yaparak dalga teorisi lehine ikna edici bir argüman üretti ve Newton'un korpusküler teorisini alaşağı etmeye yardımcı oldu. 1821 yılına gelindiğinde, Fresnel matematiksel yöntemlerle polarizasyonun ışığın dalga teorisiyle ancak ve ancak ışığın boylamasına titreşim olmaksızın tamamen enine olması durumunda açıklanabileceğini gösterebildi. ⓘ

Dalga teorisinin zayıflığı, ışık dalgalarının da ses dalgaları gibi iletim için bir ortama ihtiyaç duyacak olmasıydı. Huygens tarafından 1678'de önerilen varsayımsal ışıklı eter maddesinin varlığı, on dokuzuncu yüzyılın sonlarında Michelson-Morley deneyi tarafından güçlü bir şüpheye düşürüldü. ⓘ

Newton'un korpusküler teorisi ışığın daha yoğun bir ortamda daha hızlı hareket edeceğini ima ederken, Huygens ve diğerlerinin dalga teorisi bunun tersini ima ediyordu. O dönemde ışık hızı, hangi teorinin doğru olduğuna karar vermek için yeterince doğru ölçülemiyordu. Yeterince doğru bir ölçüm yapan ilk kişi 1850 yılında Léon Foucault oldu. Elde ettiği sonuç dalga teorisini destekledi ve klasik parçacık teorisi nihayet terk edildi, ancak 20. yüzyılda kısmen yeniden ortaya çıktı. ⓘ

Elektromanyetik teori

E elektrik alanını ve dik B manyetik alanı göstermek üzere x ekseninde ilerleyen doğrusal polarize elektromanyetik dalga ⓘ

1845 yılında Michael Faraday, doğrusal olarak polarize olmuş ışığın polarizasyon düzleminin, ışık ışınları şeffaf bir dielektrik varlığında manyetik alan yönü boyunca ilerlediğinde döndüğünü keşfetti; bu etki günümüzde Faraday dönmesi olarak bilinmektedir. Bu, ışığın elektromanyetizma ile ilişkili olduğunun ilk kanıtıydı. 1846'da ışığın manyetik alan çizgileri boyunca yayılan bir tür bozulma olabileceği tahmininde bulundu. Faraday 1847'de ışığın eter gibi bir ortamın yokluğunda bile yayılabilen yüksek frekanslı bir elektromanyetik titreşim olduğunu öne sürdü. ⓘ

Faraday'ın çalışmaları James Clerk Maxwell'e elektromanyetik radyasyon ve ışığı incelemesi için ilham verdi. Maxwell, kendi kendine yayılan elektromanyetik dalgaların uzayda sabit bir hızla ilerlediğini keşfetti ki bu hız daha önce ölçülen ışık hızına eşitti. Maxwell buradan ışığın elektromanyetik radyasyonun bir formu olduğu sonucuna vardı: bu sonucu ilk olarak 1862'de On Physical Lines of Force (Fiziksel Kuvvet Hatları Üzerine) adlı kitabında dile getirdi. 1873 yılında, halen Maxwell denklemleri olarak bilinen elektrik ve manyetik alanların davranışının tam bir matematiksel tanımını içeren A Treatise on Electricity and Magnetism'i yayınladı. Kısa bir süre sonra Heinrich Hertz, laboratuvarda radyo dalgaları üretip tespit ederek ve bu dalgaların yansıma, kırılma, kırınım ve girişim gibi özellikler sergileyerek tam olarak görünür ışık gibi davrandığını göstererek Maxwell'in teorisini deneysel olarak doğruladı. Maxwell'in teorisi ve Hertz'in deneyleri doğrudan modern radyo, radar, televizyon, elektromanyetik görüntüleme ve kablosuz iletişimin gelişmesine yol açmıştır. ⓘ

Kuantum teorisinde fotonlar, Maxwell'in klasik teorisinde tanımlanan dalgaların dalga paketleri olarak görülür. Kuantum teorisi, Maxwell'in klasik teorisinin açıklayamadığı (spektral çizgiler gibi) görsel ışık etkilerini bile açıklamak için gerekliydi. ⓘ

Kutuplanma, elektrik alan ve manyetik alandan oluşan ışığın pek çok düzlemde ilerleyen elektrik alanının tek bir düzlemle sınırlandırılmasıdır. Bu kutuplanmayı sağlayan filtreler güneş gözlüklerinde ve fotoğrafçılıkta kullanılır. ⓘ

• Kırınım
• Girişim ⓘ

Kuantum teorisi

1900 yılında Max Planck, kara cisim radyasyonunu açıklamaya çalışırken, ışığın bir dalga olmasına rağmen, bu dalgaların sadece frekanslarıyla ilişkili olarak sonlu miktarlarda enerji kazanabileceğini veya kaybedebileceğini öne sürdü. Planck, ışık enerjisinin bu "topaklarına" "kuanta" adını verdi ("ne kadar" anlamına gelen Latince bir kelimeden). 1905 yılında Albert Einstein fotoelektrik etkiyi açıklamak için ışık kuantları fikrini kullandı ve bu ışık kuantlarının "gerçek" bir varlığı olduğunu öne sürdü. 1923 yılında Arthur Holly Compton, düşük yoğunluklu X-ışınları elektronlardan saçıldığında görülen dalga boyu kaymasının (Compton saçılması olarak adlandırılır) X-ışınlarının parçacık teorisiyle açıklanabileceğini, ancak dalga teorisiyle açıklanamayacağını gösterdi. 1926 yılında Gilbert N. Lewis bu ışık kuantum parçacıklarına foton adını verdi. ⓘ

Sonunda modern kuantum mekaniği teorisi ışığı (bir anlamda) hem parçacık hem de dalga olarak ve (başka bir anlamda) ne parçacık ne de dalga olmayan (aslında beyzbol topu veya okyanus dalgaları gibi makroskopik fenomenler olan) bir fenomen olarak resmetmeye başladı. Bunun yerine, modern fizik ışığı bazen bir tür makroskopik metafora (parçacıklar) bazen de başka bir makroskopik metafora (su dalgaları) uygun matematikle tanımlanabilen ama aslında tam olarak hayal edilemeyen bir şey olarak görür. Radyo dalgaları ve Compton saçılmasında yer alan X-ışınlarında olduğu gibi, fizikçiler elektromanyetik radyasyonun düşük frekanslarda daha çok klasik bir dalga gibi, yüksek frekanslarda ise daha çok klasik bir parçacık gibi davranma eğiliminde olduğunu, ancak hiçbir zaman birinin ya da diğerinin tüm niteliklerini tamamen kaybetmediğini belirtmişlerdir. Frekans olarak orta bir noktada yer alan görünür ışığın, deneylerde bir dalga veya parçacık modeli ya da bazen her ikisi kullanılarak tanımlanabileceği kolayca gösterilebilir. ⓘ

Şubat 2018'de bilim insanları ilk kez, kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde faydalı olabilecek, polaritonları içerebilecek yeni bir ışık formunun keşfedildiğini bildirdiler. ⓘ

Dünya'da ışık kullanımı

Güneş ışığı, yeşil bitkilerin çoğunlukla nişasta formunda şekerler oluşturmak için kullandıkları enerjiyi sağlar ve bu şekerler onları sindiren canlılara enerji verir. Bu fotosentez süreci, canlılar tarafından kullanılan enerjinin neredeyse tamamını sağlar. Bazı hayvan türleri biyolüminesans adı verilen bir süreçle kendi ışıklarını üretirler. Örneğin, ateş böcekleri eşlerini bulmak için, vampir mürekkep balıkları ise kendilerini avlarından gizlemek için ışığı kullanırlar. ⓘ

Elektromanyetik tayf ve görünür ışık

Görünür ışığın elektromanyetik tayftaki yeri ⓘ

Elektromanyetik dalgalar birbirine dik olarak salınan elektrik alan ve manyetik alandan oluşur. Bu EM dalgalar frekanslarına (aynı zamanda dalgaboyuna; dalgaboyuyla frekans arasında c=λf ilişkisi vardır) göre çeşitli isimler alırlar. Bu isimler yandaki görselde görülebilir. İnsan gözü bu tayfın küçük bir bölümü olan görünür ışık kısmını görür. ⓘ

Renkler

Görünür ışığın renkleri ⓘ

renk	dalga boyu aralığı	frekans aralığı
kırmızı	~ 700–635 nm	~ 430–480 THz
turuncu	~ 635–590 nm	~ 480–510 THz
sarı	~ 590–560 nm	~ 510–540 THz
yeşil	~ 560–490 nm	~ 540–610 THz
mavi	~ 490–450 nm	~ 610–670 THz
mor	~ 450–400 nm	~ 670–750 THz

Işık, dalga boyuna göre göze farklı renklerde gözükür. Temel ışık renkleri, kırmızı, yeşil ve mavidir. Diğer renkler bu üç rengin karışımıyla elde edilir. Üç rengin birlikte varlığı beyazı oluşturur. Hiçbir ışığın olmaması durumundaysa siyah oluşur. ⓘ

Işığı renklerine ayırmak

Güneş ışığı tüm renklerin birleşiminden oluşur. Bu ışık, bir prizmadan geçirildiğinde her renk farklı miktarlarda kırılır ve ortaya gökkuşağı gibi bir tayf çıkar. Bu olayı ilk kez Isaac Newton, Opticks isimli kitabında açıklamıştır. Bu deneyin ardından, tayftaki tek bir rengi tekrar prizmadan geçiren Newton, tek rengin herhangi bir değişikliğe uğramadan kırıldığını gözlemlemiş ve renklerin prizma tarafından üretilmediği, Güneş ışığının tüm renkleri içinde barındırdığı sonucuna ulaşmıştır. ⓘ

Yansıma

Yansıma ışığın bir yüzeye çarptıktan sonra geri dönmesidir. Her cisim ışığı yansıtır ve biz yansıyan ışıklar sayesinde cisimleri görürüz. Işığı en çok yansıtan cisimler ise aynalardır. Yansıma olayı ilk kez Öklid tarafından açıklanmıştır. 1100'lü yıllarda İbn-i Heysem yansıma yasalarını ortaya koymuştur. ⓘ

Dipnotlar

ⓘ