lys (fysisk begreb)

De tidligste tanker om lysets natur findes hos græske filosoffer. Euklid fastslog ca. år 280 f.Kr., at lys udbreder sig retlinjet, og han formulerede spejlloven, der udtrykker, at den indkommende og den udgående stråle begge ligger i en plan, der indeholder normalen til spejlet, og at indfaldsvinklen er lig udfaldsvinklen. I overensstemmelse med Platon opfattede han lys som stråler, der udgår fra øjet, og da synsindtrykket af fjerne genstande opstår øjeblikkelig, når øjet åbnes, måtte strålerne udbrede sig med uendelig stor hastighed. Heron fra Alexandria fremsatte ca. år 60 e.Kr. den mere generelle hypotese, at lys udbreder sig efter den korteste afstand mellem to punkter, og kunne på dette grundlag udlede Euklids resultater.

I middelalderen flyttede tyngdepunktet for naturvidenskab til den arabiske verden, hvor Alhazen ca. år 1000 i Baghdad skrev en række bøger om optik. Han var den første, der indså, at lyset har sin oprindelse uden for mennesket, og at strålerne via de genstande, de rammer på deres vej, kastes ind i øjet. Han fremsatte endvidere den hypotese, at lysets hastighed er endelig, og at det bevæger sig langsommere i tætte medier.

Et egentligt gennembrud skete imidlertid først 600 år senere, da Willebrord Snell og René Descartes uafhængigt af hinanden formulerede brydningsloven, der på matematisk form udtrykker, hvordan lysstrålers retning ændres, når de passerer grænsefladen mellem to medier. Pierre de Fermat kunne ikke acceptere Descartes' teoretiske overvejelser, der var baseret på en analogi med mekaniske fænomener. Med udgangspunkt i Herons tanker om den korteste vej og i Alhazens antagelser om lysets hastighed formulerede han i 1657 Fermats princip, der udtrykker, at lyset følger den vej, der tager kortest tid. Herfra kunne han udlede såvel loven om lysets retlinjede udbredelse som spejlloven og brydningsloven, der sammen danner grundlaget for den geometriske optik.

Skønt Fermats princip giver en korrekt beskrivelse af lysets egenskaber, var der uafklarede problemer. Hans centrale antagelse var, at lysets hastighed er endelig, men alle hidtidige forsøg på ad eksperimentel vej at bestemme denne hastighed var slået fejl. I 1670'erne foretog Ole Rømer imidlertid en række observationer af Jupiters måner, og specielt registrerede han de nøjagtige tidspunkter, hvor månen Io i sit omløb forsvandt ind i Jupiters skygge. Over en periode på et år fandt han en afvigelse på 22 minutter i forhold til, hvad han forventede, og han fortolkede dette som en følge af lysets endelige hastighed. Når Jorden på sin bane omkring Solen står modsat Jupiter, skal lyset fra Io bevæge sig en ekstra jordbanediameter, og hvis lysets hastighed er endelig, vil han registrere formørkelsen senere, end når Jorden og Jupiter står på samme side af Solen. Rømer fremlagde sin konklusion for det franske Académie royale des sciences i 1676, og størrelsen af hastigheden, næsten 300.000 km/s, gav en umiddelbar forklaring på, at tidligere forsøg på at bestemme den var slået fejl (se lyshastigheden).

Et andet problem, som Fermats princip lod uløst, vedrørte lysets natur. Var det en strøm af partikler, som Isaac Newton antog, eller havde Christiaan Huygens ret, når han opfattede lys som bølger i en æter, der udfylder hele rummet? Francesco Maria Grimaldi (1618-63) havde som den første set tegn på, at lys kunne bøje rundt om forhindringer og altså i lighed med vandbølger udvise diffraktion, og Huygens var i stand til at udlede spejlloven og brydningsloven ud fra en bølgemodel. Men Newtons videnskabelige position kombineret med vanskeligheden ved at forstå retlinjet udbredelse i et bølgebillede gjorde, at problemet forblev uafklaret op gennem hele 1700-t. I 1801 udførte den engelske læge Thomas Young imidlertid et afgørende eksperiment. Han viste, at lys udviser interferens, der er et entydigt bølgefænomen, og han kunne bestemme bølgelængden til ca. 0,0005 mm. Bølgeteorien blev bragt på matematisk form af Augustin Jean Fresnel, og det kunne nu vises, at hele den geometriske optik følger som en naturlig konsekvens af bølgeteorien i den grænse, hvor bølgelængden er meget mindre end andre indgående længder.

Afklaringen af lysbølgernes natur måtte afvente en bedre forståelse af begreberne elektricitet og magnetisme, og først med James Clerk Maxwells teori for elektriske og magnetiske felter i begyndelsen af 1860'erne blev det klart, at lys er elektromagnetiske bølger. I den efterfølgende udvikling, der med kvantefysikkens fotoner har givet lyset det partikelaspekt, som Newton forfægtede, er der intet, der adskiller lys fra anden elektromagnetisk stråling, og betragtet som fysisk fænomen har det fundet sin plads som en lille del af et langt mere omfattende begreb, det elektromagnetiske spektrum.

Læs også om lysets betydning for levende organismer og om den symbolværdi, lys tillægges.