— Published on 07/06/2026 / .
Za objašnjenje još dvije pojave vezane uz svjetlost, interferenciju i difrakciju, moramo napustiti pojednostavljeni model s idealiziranim pojmom svjetlosne zrake i vratiti se valnoj prirodi svjetlosti
U zadnje dvije Abecede fizike bavili smo se refleksijom i refrakcijom, svjetlosnim pojavama za čije je objašnjenje bio dovoljan vrlo jednostavan matematički model u kojem smo uveli i uspješno primijenili idealizirani pojam svjetlosne zrake. Taj model, međutim, nije dovoljan da bismo objasnili preostale dvije svjetlosne pojave: interferenciju i difrakciju. Za njih nam treba fizički opis svjetlosti kao elektromagnetskog vala. Zato se ostatak ove priče ne odnosi samo na vidljivu svjetlost nego na sve elektromagnetske valove. Osnovno objašnjenje još je sveobuhvatnije, ne tiče se samo elektromagnetskih valova nego svih valova. A polazište je jedno načelo o kojem smo već govorili kod mehaničkih valova, u Abecedi fizike #17, a koje jednako vrijedi za sve valove pa i elektromagnetske, konkretno za svjetlost.
Načelo linearne superpozicije općenito, za sve valove
Kod mehaničkih valova, za čije je širenje potreban medij, uzeli smo primjer vala na vodi, prototipa svih valova, i razvili priču o plovku i dva vala. Jedan val tjera plovak da se spusti, recimo centimetar dolje. Drugi val tjera plovak da se digne, recimo pola centimetra gore. Pitanje je bilo koga će plovak slušati? Elektromagnetski val za svoje širenje ne treba medij pa je mentalna slika apstraktna. Dva vala dođu u isto vrijeme na isto mjesto. Nastane rezultantni val. Pitanje je kako iz svojstava ulaznih valova izračunati svojstva rezultantnog vala. Opet primjenjujemo načelo linearne superpozicije što znači da elongaciju rezultantnog vala računamo kao zbroj elongacija ulaznih valova. Superpozicija znači algebarski zbroj, a linearno znači da elongacije u račun ulaze s prvim potencijama, a ne kao recimo kvadrati ili korijeni. Sve dalje je samo matematika.
Interferencija elektromagnetskih valova
Elektromagnetski valovi su transverzalni, titraju okomito na smjer širenja pa govorimo o brjegovima i dolovima. Kad dva vala na isto mjesto u isto vrijeme dođu tako da se brijeg poklopi s brijegom a dol s dolom onda rezultantni val ima veću amplitudu. To nazivamo konstruktivnom interferencijom. Kad se pak brijeg jednog vala poklopi s dolom drugog vala, rezultantni val ima manju amplitudu. Za posebne uvjete amplituda je čak nula. To nazivamo destruktivnom interferencijom. Općenito, valovi u interakciji daju interferencijski uzorak iz čega mogu proizaći lijepe boje perja nekih ptica, ali i praktične primjene u posebnoj vrsti detektora, interferometrima.
Najpoznatiji povijesni primjer primjene interferometra je Michelson-Morleyev eksperiment iz 1887. godine. U njemu je jedan snop svjetlosti razdvojen na dva snopa, poslan različitim putovima, ponovno spojen kako bi se eventualno opazio interferencijski uzorak. Očekivalo se da bi gibanje Zemlje kroz tada pretpostavljeni eter bilo opazivo u interferencijskom uzorku. Učinak je izostao, eter odbačen a fizika je, nakon još nekoliko koraka, dobila posebnu teoriju relativnosti. To će biti tema iduće Abecede fizike. Zadržimo se još na interferometrima.
Najimpresivnija primjena interferencije svjetlosti danas je LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), detektor gravitacijskih valova. LIGO koristi lasersku svjetlost kao ravnalo nevjerojatne preciznosti. Sastoji se od dva okomita kraka dugačka 4 km. Laserska se svjetlost razdijeli u dva snopa, pošalje niz ta dva kraka, odbija se između zrcala i na kraju ponovno spaja. Ako gravitacijski val iz dalekog kozmičkog izvora prođe kroz Zemlju, on sićušno rastegne jedan krak i sićušno stisne drugi. Sićušno znači mnogo manje od promjera protona. Time se laserski snopovi pomaknu u fazi (brijeg se više ne poklapa s brijegom), a detektor to opaža kao promjenu interferencijskog uzorka.
Upravo tako je 14. rujna 2015. prvi put izravno opažen jedan gravitacijski val. Nastao je stapanjem dviju crnih rupa, događaja koji se zbio prije oko 1,3 milijarde godina. Signal je trajao samo djelić sekunde, ali je bio dovoljan za rađanje nove znanosti – astronomije gravitacijskih valova.
Difrakcija elektromagnetskih valova
Druga spomenuta pojava jest difrakcija ili skretanje vala na prepreci. To ne možemo objasniti jednostavnom modelom sa svjetlosnim zrakama. No, ako svjetlost opišemo kao val onda je skretanje na prepreci svojstvo koje prirodno proizlazi iz matematike valova.
Posebno korisna naprava koja se oslanja na difrakciju jest difrakcijska rešetka. To je niz vrlo uskih, pravilno razmaknutih pukotina. Svaka pukotina djeluje kao izvor novog vala, a svi ti valovi iz različitih pukotina potom interferiraju. Iz interferencijskog uzorka mogu se vrlo precizno odrediti svojstva ulaznih valova. Zato je difrakcijska rešetka važan dio spektrometara, instrumenta kojim analiziramo svjetlost nekog kozmičkog izvora pa iz toga zaključujemo od čega je daleki objekt građen, kako se giba i kakvi se procesi u njemu zbivaju.
DIfrakcijska rešetka ne mora biti napravljena ljudskom rukom. U kristalu su atomi pravilno raspoređeni, a razmaci među njima reda su veličine valne duljine rendgenskog zračenja. Kad rendgensko zračenje padne na pravilno raspoređene atome, atomi postaju izvori raspršenih valova. Ti valovi interferiraju i daju difrakcijsku sliku. Iz položaja difrakcijskih maksimuma može se rekonstruirati prostorni raspored atoma. To je rendgenska difrakcija, jedna od najmoćnijih metoda za istraživanje unutarnje građe tvari.
Najslavnija primjena rendgenske difrakcije u biologiji povezana je s molekulom DNA. Rosalind Franklin i Raymond Gosling snimili su difrakcijsku sliku DNA poznatu kao Fotografija 51. Na njoj se pojavio prepoznatljiv križni uzorak. U kombinaciji s kemijskim podacima taj je uzorak omogućio Jamesu Watsonu i Francisu Cricku da 1953. predlože model dvostruke uzvojnice. Dvije niti DNA povezane su parovima baza i svaka nit nosi informaciju o drugoj. Odjednom je postalo jasno kako molekula može čuvati informaciju i kako se ta informacija može kopirati. Zato otkriće strukture DNA nije bilo samo rješenje jednog kemijskog problema. Bio je to početak suvremene molekularne genetike.