Većina nas je barem jednom primijetila neobične optičke efekte u vlastitom domu. Možda ste u tišini popodneva promatrali kako sunčevi zraci prolaze kroz male rupice u roletnama, zaslonima ili čak kroz sitne pukotine u zavjesama. Ono što je fascinantno jest činjenica da ti zraci često bacaju savršeno okrugle mrlje svjetlosti na zid, iako su sami otvori kroz koje prolaze zapravo pravokutni ili četvrtasti. Na prvi pogled, čini se kao da se zakoni geometrije ne primjenjuju ili da smo svjedoci neke vrste optičke iluzije. Kako je moguće da se strogi pravokutni oblik pretvori u krug dok putuje kroz prostor?
Sadržaj...
Priroda svjetlosti i pojava difrakcije
Da bismo razumjeli ovaj fenomen, moramo prvo razmotriti samu prirodu svjetlosti. U svakodnevnom životu često zamišljamo svjetlost kao skup ravnih linija, odnosno zraka, koje putuju u jednom smjeru. Međutim, fizika nam govori da se svjetlost ponaša i kao val. Upravo ta valna priroda dovodi do pojave koja se naziva difrakcija.
Difrakcija je proces u kojem se valovi svjetlosti savijaju i šire nakon što naiđu na prepreku ili prođu kroz uski otvor. Kada je otvor kroz koji svjetlost prolazi dovoljno mali, ona ne putuje isključivo ravno naprijed. Umjesto toga, svjetlost se počinje širiti u svim smjerovima od rubova otvora. Što je otvor manji, taj efekt širenja postaje izraženiji.
Zbog tog procesa, oštri kutovi četvrtastog otvora zapravo se “omekšavaju” i razmazuju. Središnji dio svjetlosti širi se ravnomjerno u svim smjerovima, što na kraju rezultira kružnim oblikom na površini na koju svjetlost pada. Dakle, rubovi kvadrata se jednostavno “izgube” u procesu širenja valova, ostavljajući nam okrugli otisak.
Sunce kao izvor svjetlosti i princip tamne komore
Osim difrakcije, ključnu ulogu igra i sam izvor svjetlosti. Sunce nije točkasti izvor, već ogromna užarena kugla koja emitira svjetlost iz svakog svog dijela. To znači da zrake koje prolaze kroz rupicu u roletni ne dolaze iz jedne jedine točke, već iz različitih kutova sunčeva diska.
Ovaj proces možemo usporediti s načinom na koji funkcionira camera obscura, odnosno tamna komora, što je zapravo najstariji predak današnjih fotoaparata. Princip je sljedeći:
- Svaki dio sunčeva diska šalje zrake svjetlosti kroz otvor.
- Zrake koje dolaze s lijevog ruba Sunca padaju na desni rub slike na zidu.
- Zrake s gornjeg ruba Sunca padaju na donji rub slike.
- Budući da je samo Sunce okruglo, slika koju ono projicira kroz mali otvor prirodno teži okruglom obliku.
Dokle god je otvor dovoljno mali, on zapravo služi kao leća koja projicira sliku izvora svjetlosti. Budući da je izvor (Sunce) okrugao, i rezultat na zidu će biti okruglo mrlja, bez obzira na to je li sam otvor kvadratan ili pravokutni.
Kada kvadrat ostaje kvadrat?
Možda se pitate zašto u svim situacijama ne vidimo krugove. Zašto ponekad, kada sunce obasja prozor s rešetkama, vidimo jasne pravokutne oblike na podu? Odgovor leži u omjeru veličine otvora i udaljenosti izvora svjetlosti.
Kada je otvor relativno velik, difrakcija više nije dominantan faktor. U tom slučaju, svjetlost prolazi kroz otvor gotovo neometano, a zrake koje putuju ravno prevladavaju nad onima koje se savijaju. Također, ako je otvor velik, on više ne funkcionira kao “točka” za projekciju slike Sunca, već dopušta prolaz velikom broju paralelnih zraka koje zadržavaju oblik samog otvora.
Dakle, za stvaranje kruga potrebni su dva uvjeta: otvor mora biti dovoljno mali da potakne difrakciju i projekciju slike Sunca, a izvor svjetlosti mora biti udaljen i imati okrugli oblik.
