Sklepienie, które mamy nad głowami, i cel ostateczny naszego życia są w języku polskim nazwane tym samym słowem – „niebo”. Od niego pochodzi też nazwa jednego z kolorów, tego najczęściej powtarzanego w kolędach. Witamy w nich „Niebieską Dziecinę”, radują nas „triumfy Króla Niebieskiego” i nowina, co przyszła „wczora z wieczora z Niebieskiego Dwora”. Można powiedzieć, że Boże Narodzenie, które zbliża nas do nieba, dając nam, mieszkańcom ziemi, „Światłość wielką”, ma też kolor niebieski. Może te świąteczne chwile będą dobrym czasem, aby się zastanowić, dlaczego niebo, to nad naszymi głowami, jest niebieskie.

Światło

Przechodząc od mistyki do fizyki, zacznijmy od wyjaśnienia, czym jest światło. Niemal do końca XVII wieku dominowała teoria, że światło składa się z różnych rodzajów cząstek odpowiadających różnym kolorom. Pogląd ten wspierał swoim wielkim autorytetem angielski badacz Isaac Newton, odkrywca powszechnego prawa ciążenia. Równocześnie istniała hipoteza mówiąca o świetle jako fali. Rzeczywiście, w obserwacji światła i fal np. na powierzchni wody znajdowano wiele podobieństw. Fala wodna ugina się na szczelinie w falochronie tak, jakby ta szczelina stawała się źródłem nowej fali. Tak i światło po przejściu przez otwór wielkości szpilki tworzy rozmyty obraz otworu, a nie jego odwzorowanie. Mówimy tu o dyfrakcji światła.

Podobnie można zaobserwować proces nakładania się fal świetlnych znany jako interferencja. Zjawiska te zaobserwowano w początkach XIX wieku, co przechyliło opinię ówczesnego świata naukowego na rzecz fal i odrzucenie modelu cząsteczek światła. Jeżeli jednak istnieje fala, to powinien też istnieć ośrodek, który ją przenosi, podobnie jak powietrze przenosi głos, tworząc falę akustyczną. Szybko znaleziono dla niego nazwę „eter”, zaczerpniętą ze starożytnej greckiej filozofii. Miał on wypełniać cały wszechświat. Aby stwierdzić jego istnienie, należało udowodnić, że prędkość światła wobec eteru jest stała. Dzięki obserwacji gwiazd i układów gwiezdnych astronomom szybko udało się obliczyć prędkość światła. Już na początku XVIII wieku uzyskano wynik 301 tys. km/s. Ma on tylko 0,4% błędu wobec znanej dziś wartości 299 792 458 m/s. Dziś wiemy, że np. drogę między Ziemią a Księżycem światło przebywa w ciągu 1,26 s. Metody obserwacji zjawisk astronomicznych nie były jednak przydatne do badania hipotezy eteru. Znaleziono inną – wiemy, że płynąc łódką lub kajakiem z prądem rzeki, płyniemy szybciej niż pod prąd. To znane zjawisko wykorzystali w latach 80. XIX wieku dwaj amerykańscy fizycy – Albert Michelson i Edward Morley, aby sprawdzić, czy ruch Ziemi będzie wpływać na prędkość światła mierzoną w różnych kierunkach, tak jak prąd rzeki ma wpływ na szybkość łódki płynącej z prądem lub pod prąd. Eksperyment ten, zaliczony później do najważniejszych doświadczeń w historii fizyki, dał wynik negatywny. Światło poruszało się zawsze z tą samą prędkością, a więc hipoteza o istnieniu eteru została obalona. Był to wynik zdumiewający.

Jeśli światło jest falą, to zupełnie inną niż wszystkie znane dotychczas. Fizycy w końcu XIX wieku znaleźli się w kłopocie. Rozwiązanie znalazł Albert Einstein, tworząc w 1905 r. szczególną teorię względności. Wykazał on, że prędkość światła (w próżni) jest stałą, największą i nieprzekraczalną prędkością we wszechświecie.

Fala czy cząstka?

Wśród wielu odkryć dokonanych w XIX wieku były też fale powstające podczas wyładowań elektrycznych – nazwano je falami elektromagnetycznymi. Ich odkrycie doprowadziło później do wynalazku radia. Dalsze badania pozwoliły na stwierdzenie, że światło, które widzimy, należy właśnie do ich rodziny. Według współczesnego podziału tworzą ją: fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i gamma. Często nawet nie zdajemy sobie sprawy z tego, że korzystając z telefonii komórkowej czy połączeń bezprzewodowych, takich jak wi-fi, lub bluetooth, również korzystamy z fal elektromagnetycznych.

Nie wszystkie cechy światła można jednak wyjaśnić jego naturą falową, nawet jeśli przyjmiemy, że ośrodkiem przenoszącym falę świetlną jest sama przestrzeń. Okazało się, że energia, którą przekazuje światło, zależy od jego barwy. Badania nad zjawiskiem emisji elektronów z powierzchni, na które pada światło, doprowadziło do sformułowania teorii istnienia cząstki światła – fotonu. Dzięki pracom Alberta Einsteina i innych fizyków udało się udowodnić, że światło jest jednocześnie falą i cząstką, że ma podwójną naturę.

Rozpraszanie

Zajmijmy się teraz tylko tym rodzajem fal elektromagnetycznych, który rejestrują nasze oczy. Reagują one na ich niewielki fragment mieszczący się w zakresie długości fal między 380 nm a 740 nm (nanometr = 10-9 m), dając w naszym mózgu wrażenie barw od fioletu, przez niebieski, zielony, żółty, aż do czerwonego. Widzimy tę barwę, którą jakaś powierzchnia odbija i rozprasza, a nie pochłania. Jeżeli odbija wszystkie kolory w tym samym stopniu, jest biała.

Ponad trzecia część energii słonecznej dociera do powierzchni Ziemi właśnie jako światło widzialne. Gdyby wszystkie kolory były tak samo rozpraszane, niebo byłoby widoczne jako białe, i tak jest, jeżeli pokrywają go chmury. Składają się one z kropelek wody lub kryształków lodu. Światło rozprasza się na nich, pozostając białym. Inaczej jest ze światłem, które na swojej drodze do powierzchni Ziemi chmur nie spotyka i przechodzi jedynie przez atmosferę. Cząstki gazów, które ją tworzą, pozostają w nieustannym ruchu. Zbliżają się i oddalają od siebie, tworząc na chwilę przypadkowe obszary o większej lub mniejszej gęstości.

To właśnie średnia odległość między nimi współgrająca z długością fali niebieskiej barwy światła jest odpowiedzialna za jej intensywne rozproszenie. W fizyce przypadkowe wahania nazywa się niekiedy fluktuacjami. Posługując się skrótem myślowym, możemy powiedzieć, że światło słoneczne rozprasza się na fluktuacjach cząstek atmosfery i nadaje niebu kolor niebieski.

Czy wiemy już wszystko?

Nagroda Nobla z nauk ścisłych jest poważnym wyróżnieniem. Nawet pobieżny ich przegląd pozwala na stwierdzenie, że ze wszystkich dziedzin fizyki najwięcej przyznano ich za badania światła. Należą do nich także dwie ostatnie. W 2022 r. nagrodzono eksperymenty z fotonami w zastosowaniach do informatyki kwantowej. Ostatnią Nagrodą Nobla z dziedziny fizyki wyróżniono uczonych za opracowanie metody generowania superkrótkich impulsów światła przydatnych do badań materii.

Można postawić pytanie: czy na temat światła wiemy już wszystko? Odpowiedział na nie w jednym ze swoich popularnych wykładów prof. Krzysztof Meissner stwierdzeniem: „Człowiek współczesny zaledwie drapie po powierzchni wiedzy”. Dlaczego jednak niebo jest niebieskie – już wiemy na pewno.

Autor był pracownikiem Zakładu Fizyki i Techniki Plazmy w Instytucie Badań Jądrowych w Świerku. Artykuł napisany specjalnie dla Niedzieli zadedykował pamięci prof. Bogdana Karczewskiego, dyrektora Instytutu Fizyki PW i Zakładu Optyki UW.