Budiž světlo!

/ 04.08.2025 /

Světlo, tak banálně samozřejmé... Ale jen na první pohled. Jedna z prvních vět biblického stvoření se týká právě jeho. Na význam světla upozorňují i slovní spojení - chceme si na něco nebo někoho posvítit, vnést do něčeho světlo, vyhlížíme světlo na konci tunelu, chceme být osvíceni, ale také občas tápeme v tmě. Každý člověk podvědomě cítí, co světlo je, ale když to chceme popsat, jaksi nám chybí slova. V antice pojednával o světle Empedokles, který si představoval, že očima „ohmatáváme“ svět kolem nás, zatímco Aristoteles měl představu, že nám z očí vychází jakési záření, které se od předmětů v našem okolí odráží. Nositeli vzdělanosti ve středověku byli především Arabové a tak další významné jméno spojené s průkopnickou prací o světle a optice je Alhazen (arabsky Abú ʿAlí al-Hasan ibn al-Hasan ibn al-Hajtham). Popsal odraz, lom, perspektivu a neprávem je mu rovněž připisován vynález dírkové komory. Zabýval se též optickými klamy. Na přelomu 16. a 17. století byly nezávisle na sobě vynalezeny v Holandsku dalekohled a mikroskop (Hans Lippershey a Zacharias Jansen, resp. Antoni van Leeuwenhoek), které využívaly čoček, dříve používaných v brýlích, nebo jako tzv. „čtecí kameny“. Tyto přístroje nám daly nahlédnout do zákoutí světa, dříve pro prosté lidské smysly nedostupných. Co se děje se světlem v čočkách a zrcadlech, ale také v oblacích a kapkách vody popsali pak Willebrord Snellius a Rene Descartes, který již postupoval čistě vědeckou metodou a jako první poskytl například ve své knize Dioptrika úplnou teorii vzniku duhy. Na druhé straně Lamanšského průlivu posunul výrazně naše znalosti o světle Isaac Newton, kterému se povedlo rozložit světlo na barevné složky – spektrum a prokázal, že se jedná nikoliv o vlastnost skleněného hranolu, ale samotného světla. Podobné pokusy dělal již před Newtonem člověk působící i v našich zemích, Jan Marek Marci. V téže době se rozvinula také debata samotné o povaze světla, jejímiž hlavními protagonisty byli Isaac Newton, který zastával představu o částicové podstatě a Christian Huygens s Robertem Hookem, kteří naopak zastávali vlnovou teorii. Vzhledem k ohromnému Newtonovu kreditu se tehdejší vědecká obec přiklonila k částicové teorii, nicméně tato představa se neudržela.  V roce 1801 zjistil totiž Thomas Young pomocí experimentu na dvojštěrbině, že světlo se skládá podobně jako vlny na vodě, což samotnými částicemi vysvětlit nelze. V roce 1800 objevil navíc anglický astronom William Herschel pomocí měření teploty ve spektru existenci neviditelného infračerveného záření. Netrvalo dlouho a německý fyzik Johann Ritter objevil pomocí fotografických emulzí existenci neviditelného krátkovlnného ultrafialového záření na opačném konci spektra. V samotném barevném spektru byly pak objeveny tmavé spektrální čáry. Nejprve se William Wolaston domníval, že oddělují jednotlivé barvy, ale později Joseph von Fraunhofer ukázal, že jich je veliké množství a absorpční spektra se posléze stala hotovou studnicí informací. Pomocí laboratorních spekter se Robertu Bunsenovi a Gustavu Kirchhofovi podařilo ztotožnit jednotlivé spektrální čáry k různým chemickým prvkům, takže začalo být možné určovat chemické složení svítících objektů na dálku. Najednou začalo být zřejmé, z čeho se skládají například Slunce a hvězdy... Velmi významnou osobností byl také Christian Doppler, který pomocí změn vlnové délky dokázal určit rychlost pohybu objektů. Doppler se sice mýlil v tom, že přibližující se hvězdy nemodrají a vzdalující se nečervenají, nicméně jejich pohyb se projeví posunem spektrálních čar na barevném pozadí, takže tento jev byl pojmenován po něm. Dnes lze takto měřit radiální rychlosti pohybu hvězd s přesností v řádu metrů za sekundu! Další průlom znamenal objev propojení světla a magnetismu o který se zasloužili vynikající experimentátor Michael Faraday a teoretik James Maxwell a také Heinrich Herz, kterému je připisován objev elektromagnetických vln. Pieter Zeeman si zase všiml, že v silném magnetickém poli dochází k rozšiřování a štěpení spektrálních čar, čímž bylo prokázáno, že například tmavé sluneční skvrny souvisejí s magnetismem naší hvězdy. Způsob vyzařování světla horkými tělesy popsal vynikající německý fyzik Max Planck a od té doby je známé, že modré hvězdy jsou žhavější než hvězdy červené. Jeho práce vedla rovněž k objevu světelných kvant a tak se obloukem, ale tak trochu jinak, vrátila představa o částicové povaze světla. Světlo, resp. fotony mají vlnově – částicovou povahu. Na základě prací Heinricha Hertze a Phillippa Lenarda týkající se nasvětlování kovových destiček světlem s různými vlnovými délkami formuloval Albert Einstein svoji teorii fotoelektrického jevu. Einstein také ukázal, že světlo se chová jako částice, jejíž dráha je zakřivována gravitačním polem těžkých objektů, jako jsou například hvězdy. Niels Bohr popsal vyzařování fotonů při přeskoku elektronů mezi energetickými hladinami v obalech atomů. Dále jsme si v přednášce popsali princip laseru a současných neuvěřitelných technologií, kdy pomocí světla dokážeme například manipulovat s jednotlivými atomy… Mohli bychom jmenovat i další velikány světové vědy, kteří se zasloužili o poznání světla, potažmo světa kolem nás. Na základě jejich objevů dokážeme nyní pomocí světla realizovat vysokorychlostní přenos dat na ohromné vzdálenosti, rozvíjet kvantovou kryptografii, během ambulantního zákroku se můžeme zbavit několika dioptrií, světlem lze také obrábět kovy, číst datové disky, pronikat do nitra hmoty a odkrývat tajemství vesmíru. Pro astronomy je světlo dodnes zdaleka hlavní nástroj na zkoumání vesmíru. Světlo je zázrak, o jehož podstatě se našim předkům ani nesnilo. Jsme schopni je popsat pomocí rovnic a najdeme za ním složitou fyziku, ale přesto je to něco, co je přístupné pro nás pro všechny a co nám přináší prakticky všechny krásy světa.

Přednáška doc. Daniše byla velmi poutavá a popsala nám světlo jako dobrodružství postupného poznávání tohoto fenoménu.

Přednáška byla doprovozena fyzikálními pokusy. Barva plamene nám může například prozradit, jaké prvky hoří.

… A nyní si ukážeme sodík!!!

Také výbojky s různými zářícími plyny vytváří různé barvy, což je dáno tím, že vyzařují světlo pouze na několika oddělených vlnových délkách, charakteristických pro ten který prvek.

Rozžhavená pevná látka má spojité spektrum, podobné duze, zatímco například helium vyzařuje v emisním spektru na přesně daných charakteristických délkách. Pomocí spektroskopu tak můžeme zjistit na dálku podstatu světelného zdroje. Nejen výbojek, ale například i nedosažitelně vzdálených hvězd.

Není světlo jako světlo. Bílé světlo lze jednoduše připodobnit k davu postupujícímu určitým směrem, filtrované světlo ke skupině běžců ve stejně barevném dresu a lasery k perfektně synchronizovaným pochodujícím vojákům v řadě. Takovému světlu říkají pak fyzikové koherentní.

Při průchodu světla mřížkou, například sítkem s velmi malými otvory, dochází k jeho ohybu a vytváří se difrakční obrazce, jejichž analýzou lze zjistit tvar objektu, který difrakční obrazec způsobilo. Touto metodou lze dokonce analyzovat objekt tak maličký, že jej žádný světelný mikroskop nedokáže zobrazit.

Bylo nám ctí uvítat na naší hvězdárně doc. RNDr. Stanislava Daniše, Ph.D., pracovníka MFF UK v Praze, který se ve Ždánicích zúčastnil několikadenního praktika Sekce pozorovatelů proměnných hvězd a exoplanet při České astronomické společnosti.