Dagligdagse talemåter som at «sommeren er tiden for de lyse netter» eller at «rommet er fylt av lys» er intuitive uttrykk for at lyset oppfattes som en dynamisk prosess i rom og tid. Som dynamisk prosess i rom og tid har lyset både styrke og romlig utbredelse, samt visse kvalitative aspekter ved seg (som farge).

En grunnerfaring ved lyset er at det øker og minker. Betegnelsene sterkt og svakt lys refererer primært til en fornemmelse av øyets egentilstand. Vi merker at øyet blir anstrengt av sterkt lys, at vi må knipe sammen øynene. I svakt lys (skumring, tussmørke) må vi derimot anstrenge oss for å se noe bestemt i det hele tatt. Blendende lys kan skade øyet for kortere eller lengre tid.

Men fornemmelsen av lysstyrke knytter seg også til graden av kontrast mellom lyst og mørkt i vår omgivelse, og dermed til øyets mulighet for å skjelne detaljer. Jo sterkere lys, jo «dypere» skygger, jo hvitere er de hvite tingene, jo sortere de sorte. For at en trykt tekst skal være lesbar, må belysningen ha en viss styrke.

Måling av lysstyrke bygger i utgangspunktet på visuell sammenligning av overflater med hensyn til lyshet (se lysmåling).

Ut fra fordelingen av lys og skygge tillegger vi lyset retning fra en lyskilde (ettersom Solen står høyt eller lavt, kaster den korte eller lange skygger). Samspillet av lys og skygge på belyste legemer skaper relieff (uthevelse), som gir dem karakter av kropp.

Alt etter lyskildens utstrekning og form er skyggene mer eller mindre skarpt avgrenset, og vi taler tilsvarende om hard (skarp) eller bløt belysning. Svært bløt belysning betyr at lyset ikke har noen dominerende retning. På enkelte gråværsdager er hele himmelen jevnt grå, og landskapet tilsvarende fattig på skygger.

Det at lyset har retning, innbyr til å forestille seg lys som en stråle. Forestillingen om lysstråler har fulgt læren om lyset helt frem til grunnleggelsen av den moderne fysikk. Den har vært, og er fortsatt, et viktig hjelpemiddel ved konstruksjon av lysgangen i optiske systemer (se bilde, linse).

Samtidig er det vanskelig å forstå hvordan en stråle skal kunne fylle et rom med lys. Overalt hvor vi har å gjøre med virkelig lys (også der hvor vi har avgrenset en tilnærmet lysstråle ved hjelp av et lite hull), viser det seg at stråleoptikken må suppleres med andre beskrivelser, i første rekke en bølgeoptikk. Dette gjelder allerede for et dagligdags fenomen som lysets brytning, men enda mer for lysets bøyning og polarisasjon. Et fenomen som lysets spredning kan i det hele tatt ikke beskrives ved hjelp av stråler.

Lysets brytning (refraksjon) gir seg bl.a. til kjenne som optisk hevning, f.eks. når vi ser sjøbunnen løftet loddrett oppover, skråstilte staker i sjøen synes knekket i vannflaten osv. Lysbrytningen blir i lærebøkene gjerne beskrevet ved hjelp av strålekonstruksjoner. Dette henger sammen med at strålen kan representere prinsippet om den korteste lysvei (optiske vei). Prinsippet skriver seg tilbake til antikkens optikk. Heron fra Alexandria (ca. 250 e.Kr.) beviste på grunnlag av lovene for speilbilder i plane speil at synsstrålen beskriver den korteste vei mellom øyet og objektet via speilet. På begynnelsen av 1600-tallet ble denne loven generalisert av Pierre de Fermat dithen at lyset alltid velger den raskeste vei mellom to punkter (Fermats prinsipp). Vi kan anskueliggjøre forholdet ved å forestille oss en tropp soldater som må krysse en myr hvor det er tyngre (og dermed langsommere) å gå. Offiseren velger da en slik retning over myren at marsjen blir minst mulig forsinket, og jo bløtere myren er, jo mer styrer han tvers over. Marsjretningen blir altså brutt, og brytningsvinkelen er et mål for bløtheten. Se også brytning.

I optikken er brytningsvinkelen bestemt av mediets brytningsindeks, som kan betraktes som et mål for forholdet mellom lysets hastighet utenfor mediet og i mediet. Produktet av geometrisk veilengde og brytningsindeks kalles lysets optiske veilengde, og stråleretningen bestemmes av at lysets optiske veilengde er et minimum.

Stråleoptikkens minimumsprinsipp fikk gjennom William Rowan Hamilton (1805–65) en utforming som kunne overføres til dynamikken og ble derved en del av grunnlaget for den moderne kvantemekanikk.

Lysbrytningen er imidlertid også ledsaget av visse fargefenomener. Ved optisk hevning iakttar man f.eks. fargeoverganger på grensene mellom lyst og mørkt (randfarger). Isaac Newtons berømte oppdagelse av at en avgrenset lysstråle som brytes i et glassprisme, splittes opp i et spektrum av fargede lysstråler, har fått den aller største betydning for fysikkens utvikling. Newton forklarte fenomenet med at sollyset (som han eksperimenterte med) består av lys med forskjellig brytningsindeks. Han regnet med at spekteret er et konstant fenomen som er karakteristisk for lyset og derfor er det samme i alle lysbrytende medier. Newton tok imidlertid feil på dette punktet; fenomenet kalles i dag dispersjon, og betraktes som en egenskap ved mediet (altså en materialegenskap), slik at hvert medium har sin egen karakteristiske dispersjon.

Lysets bøyning (diffraksjon) er vanligvis en svakere virkning enn brytningen, men er egentlig til stede overalt og kan lett fremkalles som separat fenomen. Hvis man f.eks. ser med ett øye mot flammen på et stearinlys, men samtidig skygger for flammen med tommelfingeren, ser man kanten av fingeren lyse svakt på begge sider av flammen. Fra den belyste kanten stråler det altså lys inn i skyggen. Dette er en virkning av lysets bøyning.

En annen virkning av lysets bøyning kan iakttas ved å se med ett øye mot en smal lysstripe, samtidig som man skygger for stripen med en tråd eller tynn pinne. Da vil man få se avvekslende mørke og lyse striper både i og utenfor skyggen av pinnen.

Hvis man betrakter den nevnte flammen, eller lysstripen, gjennom et linjeraster, et såkalt optisk gitter, vil man få se gjentatte randfargede bilder av flammen, mens lysstripen forvandles til gjentatte fargespektra, som er analoge med de spektrene vi kjenner fra lysbrytning. Samtidig er det en vesentlig forskjell mellom de to typene av fargespektra: i prismespekteret er den blå delen brutt mest, den røde minst, men i bøyningsspekteret er dette omvendt.

Geometrisk kan de nevnte fenomenene utledes av lysets interferens med seg selv, idet man forestiller seg lysets utbredelse som en bølgebevegelse. En fullstendig geometrisk-matematisk begrunnelse av lysets interferens krever et meget abstrakt matematisk språk, men det finnes også anskuelige analogier innenfor vår daglige erfaring, f.eks. med overflatebølger på vann. Når to ringbølgesystemer på en ellers rolig vannflate skjærer inn i hverandre, oppstår en summasjon av bølgerygger og bølgedaler som frembringer bestemte bølgemønstre.

På grunnlag av en bølgemodell for lyset kan man ut fra lysets bøyning i et gitter (eller fra en kant) beregne dets bølgelengde. Det viser seg da at lysets spektrum spenner over bølgelengdeområdet ca. 400–700 nanometer (1 nanometer er 1/1 000 000 mm). Dette bølgelengdeområdet omtales gjerne som «synlig lys». Utenfor det synlige spektrum kan man imidlertid påvise «ultrafiolett lys» (UV-lys) og «infrarødt lys» (IR-lys), som da henholdsvis har mindre og større bølgelengde enn «synlig lys». Til de ulike bølgelengdene av synlig lys er det for det menneskelige øyet knyttet bestemte fargeopplevelser, se farge (Fargene og lysets spektrum).

Lysets polarisasjon kjenner vi f.eks. fra polaroidbriller. Hvis man legger to brilleglass over hverandre, slik at de har samme akse, og man dreier det ene i forhold til det andre, vil de avvekslende slukke hverandre og slippe lyset gjennom. Hvis man dessuten legger vilkårlig sammenbrettet cellofan mellom brilleglassene, er det stor mulighet for at man får se livlige og skiftende farger etter som brilleglassene dreies i forhold til hverandre. Man legger også merke til at hver farge slår om til sin komplementærfarge når glasset dreies 90 grader.

Polarisasjonsfarger oppstår også som sarte farger i reflekslyset fra klart glass eller plast som har vært utsatt for spenninger under støpingen (f.eks. sikkerhetsglass i frontruter, plastlinjaler). For å forklare dette fenomenet er stråleoptikken til ingen nytte. Derimot kan det anskueliggjøres ved å anta at lysbølgen i tillegg til retning, bølgelengde og utslag (amplitude) også har et svingeplan, og at interferensprinsippet også gjelder for svingeplanene. Også polarisasjonsfargene gir oss informasjon om mediets fysiske egenskaper. Se også polarisert lys.

Lysets spredning, som er en avgjørende miljøskapende faktor, sprenger stråleoptikkens rammer. En virkning av lysets spredning kjenner vi fra atmosfæren. Den blå daghimmelen skyldes selektiv (bølgelengdeavhengig) spredning av sollys i klar luft. På grunn av varmebevegelser i luften oppstår mikroskopisk små tetthetsfluktuasjoner som har en svakt spredende virkning på kortbølget sollys (Rayleighspredning). Fordi det direkte sollyset har mistet en del av det kortbølgede lys, får det en gyllen tone, som blir særlig tydelig når Solen synker og lyset tilbakelegger en lengre vei gjennom atmosfæren. Dette er grunnen til den vakre blandingen av gyllenvarme belyste snøflater og kjøligblå skygger på klare vinterettermiddager. I disig luft blir lyset spredt av aerosoler, dvs. små vanndråper som har kondensert på støvpartikler. Da er ikke lenger spredningen selektiv og vi kan få den monotone skygrå situasjonen som ble beskrevet ovenfor.

Farge kan bare erfares og identifiseres ved hjelp av øyet, men samtidig er fargen i vårt ytre miljø karakteristisk for en bestemt fysisk kjensgjerning, som det ligger til fysikken å identifisere. Det at fargen samtidig er bestemt ut fra øyet og ut fra materiens fysiske tilstand, er en betingelse for at vi kan kjenne oss hjemme i et visuelt miljø. Fysikken som sådan kjenner egentlig ingen farger – den beskjeftiger seg bare indirekte med fargen, nemlig med den del av vår fysiske omgivelse som kan identifiseres gjennom øyets erfaring av fargen.

Lyset i vår omgivelse er alltid en blanding av primærlys fra selvlysende legemer (lyskilder) og sekundærlys fra belyste legemer. Mellom disse typene av lyskilder går det imidlertid ingen skarp grense. Det finnes f.eks. legemer som blir selvlysende hvis de belyses (fosforescens, fluorescens).

Lysende faste legemer; menneskenes første utnyttbare lyskilder var Solen og kullflammen. Men man har også lenge visst at metaller gløder ved oppvarming. Med elektrisiteten kom glødetråden. Disse lyskildene kalles temperaturstrålere. Glødefargen er bestemt av temperaturen og rekker fra rødglød (ca. 500 °C) til hvitglød (ca. 6000 °C) og videre til mer blåaktig hvitt ved enda høyere temperaturer. Karakteristisk for lysende faste legemer er at de har et sammenhengende fargespektrum.

Den innarbeidede betegnelsen «hvitt lys» om hvite lyskilder er noe misvisende. En mer adekvat betegnelse ville ha vært «fargeløst lys», slik man sier at vann er fargeløst.

Lysende gasser; også gasser kan bringes til å lyse, og da med en farge som er karakteristisk for vedkommende stoff. Når f.eks. koksalt fordamper i en klar flamme (bunsenbrenner), farges flammen gul av lysende natriumgass. Lysende gasser ligger også til grunn for lyn, nordlys og beslektede naturfenomener, men først med elektrisiteten oppdaget man at tilsvarende fenomener kan frembringes i laboratoriet gjennom elektrisk utladning i gasser. Også da lyser gassen med sin karakteristiske farge.

I motsetning til temperaturstrålerne har lysende gasser et usammenhengende spektrum av fargede linjer, et såkalt linjespektrum. Dette blir undertiden kalt «stoffets fingeravtrykk». Ved hjelp av det kan man identifisere det lysende stoffet (spektralanalyse).

Temperaturstrålernes og gassenes fargespektra kan ikke etterlignes (reproduseres) ved hjelp av ikke-spektralfarger. Et fotografi av kvikksølvets linjespektrum, eller et hvilket som helst annet spektrum, viser nødvendigvis mer eller mindre forvrengte farger, fordi filmen bygger på subtraktiv blanding av tre kjemiske pigmentfarger, som hver for seg har et sammenhengende absorpsjonsspektrum. Lærebøkenes bilder av Solens og forskjellige gassers spektra er derfor vanligvis idealiserte og forvrengte. Heller ikke PC-skjermen kan gjengi spektralfarger, rett og slett fordi dens tre grunnfarger er vesentlig mindre mettet. En øvet maler kan nok etterligne spektralfargene noe bedre, men fordi han må benytte naturlige pigmenter, som er mindre mettet enn spektralfarger, vil øyet merke en forskjell. Under ellers like observasjonsforhold kan et normaltseende øye alltid fastslå at pigmentfarger er mindre mettet enn spektralfarger.

Elektrisk utladning i gasser har også fått utstrakt teknisk anvendelse (f.eks. kullbuelampen, kvikksølvlampen i solarier, eldre natriumlamper for veibelysning). For formål som krever meget høy lysstyrke og nøytralt lys (f.eks. veibelysning og kinoprosjektører) er det utviklet høytrykks gassutladningslamper hvor lyset er beslektet med temperaturstråling (se også belysning, elektrisk lysbue).

Sekundærlyset i vår omgivelse oppstår gjennom primærlysets vekselvirkning med materien. De prosessene det kommer an på, er lysets absorpsjon og refleksjon, dertil de allerede omtalte prosessene brytning, bøyning (interferens), polarisasjon og spredning.

Legemene omkring oss kan være gjennomsiktige (transparente, f.eks. glass, vann, farget og ufarget cellofan), eller bare gjennomskinnelige (diafane, f.eks. mattglass), eller ugjennomskinnelige og ugjennomsiktige (opake). Grensen mellom disse egenskapene er ikke skarp. Også gjennomsiktige stoffer i tykke lag er ugjennomsiktige. På store havdyp hersker derfor fullstendig mørke. På den annen side er alle stoffer, også metaller, i tynne lag gjennomskinnelige.

Gjennomsiktige legemer har den egenskap at de i større eller mindre grad absorberer, reflekterer, bryter og polariserer det innfallende lys.

I en rolig vannflate ser vi forholdsvis svake speilbilder av gjenstander som befinner seg over vannflaten, samtidig som vi ser sjøbunnen løftet loddrett oppover, en skråstilt stake i sjøen synes knekket i vannflaten osv. (optisk hevning). Lysbrytning er dessuten forbundet med dispersjon, slik vi tidligere har nevnt.

Regnbuen skyldes kombinert speiling og lysbrytning med dispersjon, delvis også bøyning i regndråpene (se regnbue).

Fargede, gjennomsiktige stoffer har selektiv dvs. bølgelengdeavhengig absorpsjon (som farget cellofan).

Virkningen av lysets polarisasjon i gjennomsiktige stoffer er omtalt tidligere. Lysets polarisasjon i naturlige krystaller er betinget av krystallenes molekylstruktur og blir derfor utnyttet til mineralbestemmelse. Se polarisert lys og polarisasjonsfilter.

Ugjennomsiktige legemer kan ha blanke, speilende overflater (f.eks. emalje), eller diffust reflekterende, matte overflater. Enkelte overflater er på grunn av sin spesifikke mikrostruktur dels matte, dels blanke. Denne egenskapen kalles glans (typisk hos tomater).

Metaller har sterk refleksjon (glinser i Solen). Dette kalles metallglans og utnyttes i speil. Enkelte metaller, særlig gull og kobber, har farget metallglans pga. selektiv (bølgelengdeavhengig) refleksjon. Det finnes også ikke-metalliske fargestoffer som har metallglans (f.eks. klorofyll).

Ikke-metaller har svak refleksjon (glatte, blanke overflater gir svake speilbilder). Stoffets farge skyldes her selektiv (bølgelengdeavhengig) absorpsjon av det innfallende lys (f.eks. malerpigmenter).

Gjennomskinnelige legemer omfatter en skala som rekker fra nesten gjennomsiktige til nesten ugjennomskinnelige. I disse stoffene blir det innfallende lyset spredt av inhomogeniteter i stoffet. Dersom spredningen er selektiv (bølgelengdeavhengig), blir det spredte lyset farget.

Hvite stoffer hører til i den andre enden av skalaen av gjennomskinnelige stoffer. Hvitheten skyldes sterk lysspredning i en uordnet mikrostruktur av stoffer som i seg selv er gjennomsiktige (sommerskyer, snø, finknust glass), se hvitt.

Lysets absorpsjon i atmosfæren. Atmosfæren kan betraktes som Jordens gjennomskinnelige vindu mot universet. På en klar dag kan et godt øye skimte de sterkeste stjernene. Atmosfæren har altså svært liten absorpsjon av synlig lys. En selektivt absorberende atmosfære ville hatt en egenfarge i likhet med enkelte gassarter, f.eks. jod og klor. Men atmosfæren har samtidig visse absorberende egenskaper som har betydning for livet på Jorden. I den øvre atmosfæren over ekvator produserer sollyset ørsmå mengder ozon som av luftstrømmene føres mot polene. Ozon har svært sterk absorpsjon av UV-lys, men fordi konsentrasjonen av ozon er svært liten, slipper likevel litt UV-lys gjennom ozonlaget og ned til Jorden.

På den annen side avgir havet enorme mengder vanndamp til den nedre atmosfære. Vanndamp har en meget svak absorpsjon av infrarødt lys (IR, varmestråling), men fordi mengden av vanndamp er så stor, blir likevel en viss del av varmestrålingen fra Jorden absorbert i atmosfæren, som derved fungerer som et varmemagasin. Uten dette ville det ha hersket istidslignende forhold på jordoverflaten (jfr. drivhuseffekt).

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.