แสง

แสง (อังกฤษ: light) เป็นการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในบางส่วนของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า คำนี้ปกติหมายถึง แสงที่มองเห็นได้ ซึ่งตามนุษย์มองเห็นได้และทำให้เกิดสัมผัสการรับรู้ภาพ แสงที่มองเห็นได้ปกตินิยามว่ามีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400–700 นาโนเมตร ระหวางอินฟราเรด (ที่มีความยาวคลื่นมากกว่าและมีคลื่นกว้างกว่านี้) และอัลตราไวโอเล็ต (ที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่าและมีคลื่นแคบกว่านี้) ความยาวคลื่นนี้หมายถึงความถี่ช่วงประมาณ 430–750 เทระเฮิรตซ์

ปริซึมสามเหลี่ยมกระจายลำแสงขาว ลำที่ความยาวคลื่นมากกว่า (สีแดง) กับลำที่ความยาวคลื่นน้อยกว่า (สีม่วง) แยกจากกัน

ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดแสงหลักบนโลก แสงอาทิตย์ให้พลังงานซึ่งพืชสีเขียวใช้ผลิตน้ำตาลเป็นส่วนใหญ่ในรูปของแป้ง ซึ่งปลดปล่อยพลังงานแก่สิ่งมีชีวิตที่ย่อยมัน กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงนี้ให้พลังงานแทบทั้งหมดที่สิ่งมีชีวิตใช้ ในอดีต แหล่งสำคัญของแสงอีกแหล่งหนึ่งสำหรับมนุษย์คือไฟ ตั้งแต่แคมป์ไฟโบราณจนถึงตะเกียงเคโรซีนสมัยใหม่ ด้วยการพัฒนาหลอดไฟฟ้าและระบบพลังงาน การให้แสงสว่างด้วยไฟฟ้าได้แทนแสงไฟ สัตว์บางชนิดผลิตแสงไฟของมันเอง เป็นกระบวนการที่เรียก การเรืองแสงทางชีวภาพ

คุณสมบัติปฐมภูมิของแสงที่มองเห็นได้ คือ ความเข้ม ทิศทางการแผ่ สเปกตรัมความถี่หรือความยาวคลื่น และโพลาไรเซชัน (polarization) ส่วนความเร็วในสุญญากาศของแสง 299,792,458 เมตรต่อวินาที เป็นค่าคงตัวมูลฐานหนึ่งของธรรมชาติ

ในวิชาฟิสิกส์ บางครั้งคำว่า แสง หมายถึงการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในทุกความยาวคลื่น ไม่ว่ามองเห็นได้หรือไม่ ในความหมายนี้ รังสีแกมมา รังสีเอ็กซ์ ไมโครเวฟและคลื่นวิทยุก็เป็นแสงด้วย เช่นเดียวกับแสงทุกชนิด แสงที่มองเห็นได้มีการแผ่และดูดซับโฟตอนและแสดงคุณสมบัติของทั้งคลื่นและอนุภาค คุณสมบัตินี้เรียก ทวิภาคของคลื่น–อนุภาค การศึกษาแสง ที่เรียก ทัศนศาสตร์ เป็นขอบเขตการวิจัยที่สำคัญในวิชาฟิสิกส์สมัยใหม่

สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าและแสงที่เห็นได้

แสงคือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ในช่วงสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถมองเห็นได้ คือ อยู่ในย่านความถี่ 380 THz (3.8×10¹⁴ เฮิรตซ์) ถึง 789 THz (7.5×10¹⁴ เฮิรตซ์) จากความสัมพันธ์ระหว่าง ความเร็ว (${\displaystyle v}$ ) ความถี่ (${\displaystyle f}$  หรือ ${\displaystyle \nu }$ ) และ ความยาวคลื่น (${\displaystyle \lambda }$ ) ของแสง:

${\displaystyle v=f~\lambda \,\!}$ 

และความเร็วของแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่ ดังนั้นเราจึงสามารถแยกแยะแสงโดยใช้ตามความยาวคลื่นได้ โดยแสงที่เรามองเห็นได้ข้างต้นนั้นจะมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 นาโนเมตร (ย่อ 'nm') และ 800 nm (ในสุญญากาศ)

การมองเห็นของมนุษย์นั้นเป็นผลมาจากภาวะอนุภาคของแสงโดยเฉพาะ เกิดจากการที่ก้อนพลังงาน (อนุภาคโฟตอน) แสง ไปกระตุ้น เซลล์รูปแท่งในจอตา (rod cell) และ เซลล์รูปกรวยในจอตา (cone cell) ที่จอตา (retina) ให้ทำการสร้างสัญญาณไฟฟ้าบนเส้นประสาท และส่งผ่านเส้นประสาทตาไปยังสมอง ทำให้เกิดการรับรู้มองเห็น

 

อัตราเร็ว

ดูบทความหลักที่: อัตราเร็วของแสง

นักฟิสิกส์หลายคนได้พยายามทำการวัดความเร็วของแสง การวัดแรกสุดที่มีความแม่นยำนั้นเป็นการวัดของ นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก Ole Rømer ในปี ค.ศ. 1676 เขาได้ทำการคำนวณจากการสังเกตการเคลื่อนที่ของดาวพฤหัสบดี และ ดวงจันทร์ไอโอ ของดาวพฤหัสบดี โดยใช้กล้องดูดาว เขาได้สังเกตความแตกต่างของช่วงการมองเห็นรอบของการโคจรของดวงจันทร์ไอโอ และได้คำนวณค่าความเร็วแสง 227,000 กิโลเมตรต่อวินาที

การวัดความเร็วของแสงบนโลกนั้นกระทำสำเร็จเป็นครั้งแรกโดย Hippolyte Fizeau ในปี ค.ศ. 1849 เขาทำการทดลองโดยส่องลำของแสงไปยังกระจกเงาซึ่งอยู่ห่างออกไปหลายพันเมตรผ่านซี่ล้อ ในขณะที่ล้อนั้นหมุนด้วยความเร็วคงที่ ลำแสงพุ่งผ่านช่องระหว่างซี่ล้อออกไปกระทบกระจกเงา และพุ่งกลับมาผ่านซี่ล้ออีกซี่หนึ่ง จากระยะทางไปยังกระจกเงา จำนวนช่องของซี่ล้อ และความเร็วรอบของการหมุน เขาสามารถทำการคำนวณความเร็วของแสงได้ 313,000 กิโลเมตรต่อวินาที

Albert A. Michelson ได้ทำการพัฒนาการทดลองในปี ค.ศ. 1926 โดยใช้กระจกเงาหมุน ในการวัดช่วงเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางไปกลับจาก ยอด Mt. Wilson ถึง Mt. San Antonio ในรัฐแคลิฟอร์เนีย ซึ่งการวัดนั้นได้ 299,796 กิโลเมตร/วินาที

ทัศนศาสตร์

การหักเหของแสง

แสงนั้นวิ่งผ่านตัวกลางด้วยความเร็วจำกัด ของแสงในสุญญากาศ c จะมีค่า c = 299,792,458 เมตร ต่อ วินาที (186,282.397 ไมล์ ต่อ วินาที) โดยไม่ขึ้นกับว่าผู้สังเกตการณ์นั้นเคลื่อนที่หรือไม่ เมื่อแสงวิ่งผ่านตัวกลางโปร่งใสเช่น อากาศ น้ำ หรือ แก้ว ความเร็วแสงในตัวกลางจะลดลงซึ่งเป็นเหตุให้เกิดปรากฏการณ์การหักเหของแสง คุณลักษณะของการลดลงของความเร็วแสงในตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูงนี้จะวัดด้วย ดรรชนีหักเหของแสง (refractive index) n

${\displaystyle n={\frac {c}{v}}\;\!}$

มิราจ ( Mirage ) เป็น ปรากฏการณ์เกิดภาพลวงตา ซึ่ง บางครั้งในวันที่อากาศ เราอาจจะมองเห็นสิ่งที่เหมือนกับสระน้ำบนถนน ที่เป็นเช่นนั้นเพราะว่ามีแถบอากาศร้อนใกล้ถนนที่ร้อน และแถบอากาศที่เย็นกว่า (มีความหนาแน่นมากกว่า) อยู่ข้างบน รังสีของแสงจึงค่อยๆ หักเหมากขึ้น เข้าสู่แนวระดับ จนในที่สุดมันจะมาถึงแถบอากาศร้อนใกล้พื้นถนนที่มุมกว้างกว่ามุมวิกฤต จึงเกิดการสะท้อนกลับหมดนั่นเอง โดย n=1 ในสุญญากาศ และ n>1 ในตัวกลาง

เมื่อลำแสงวิ่งผ่านเข้าสู่ตัวกลางจากสุญญากาศ หรือวิ่งผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง(เช่น) แสงจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงความถี่ แต่เปลี่ยนความยาวคลื่นเนื่องจากความเร็วที่เปลี่ยนไป ในกรณีที่มุมตกกระทบของแสงนั้นไม่ตั้งฉากกับผิวของตัวกลางใหม่ที่แสงวิ่งเข้าหา ทิศทางของแสงจะถูกหักเห ตัวอย่างของปรากฏการณ์หักเหนี้เช่น เลนส์ต่างๆ ทั้งกระจกขยาย คอนแทคเลนส์ แว่นสายตา กล้องจุลทรรศน์ กล้องส่องทางไกล

แสงและการมองเห็น

ลำแสง

แสงเป็นพลังงานรูปหนึ่ง เดินทางในรูปคลื่นด้วยอัตราเร็วสูง 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที แหล่งกำเนิดแสงมีทั้งแหล่งกำเนิดที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น แสงดวงอาทิตย์ที่เป็นแหล่งพลังงานของสิ่งมีชีวิต แหล่งกำเนินแสงที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น แสงสว่างจากหลอดไฟ เป็นต้น

เมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านกลุ่มควันหรือฝุ่นละออง จะเห็นเป็นลำแสงเส้นตรง และสามารถทะลุผ่านวัตถุได้ วัตถุที่ยอมให้แสงเคลื่อนที่ผ่านเป็นเส้นตรงไปได้นั้น เราเรียกวัตถุนี้ว่า วัตถุโปร่งใส เช่น แก้ว อากาศ น้ำ เป็นต้น ถ้าแสงเคลื่อนที่ผ่านวัตถุบางชนิดแล้วเกิดการกระจายของแสงออกไป โดยรอบ ทำให้แสงเคลื่อนที่ไม่เป็นเส้นตรง เราเรียกวัตถุนั้นว่า วัตถุโปร่งแสง เช่น กระจกฝ้า กระดาษไข พลาสติกฝ้า เป็นต้น ส่วนวัตถุที่ไม่ยอมให้แสงเคลื่อนที่ผ่านไปได้ เราเรียกว่า วัตถุทึบแสง เช่น ผนังคอนกรีต กระดาษแข็งหนาๆ เป็นต้น วัตถุทึบแสงจะสะท้อนแสงบางส่วนและดูดกลืนแสงบางส่วนไว้ทำให้เกิดเงาขึ้น

การสะท้อนของแสง

แสงที่เดินทางจากตัวกลางที่โปร่งแสงไปสู่ตัวกลางที่โปร่งใส  เช่น  จากแก้วไปสู่อากาศ ถ้ามุมตกกระทบน้อย กว่า 42 องศา แสงบางส่วนจะสะท้อนกลับและบางส่วนจะทะลุออกอากาศ แต่ถ้าที่มุมแก้วตกกระทบแก้วกับ 42 องศา แสงจะสะท้อนกลับคืนสู่แก้วหมดไม่มีแสงออกจากอากาศเลย  ลักษณะเช่นนี้เรียกว่า การสะท้อนกลับหมด นั้นคือ รอยต่อแก้วกับอากาศทำหน้าที่เสมือนการตกกระทบที่จะทำให้แสงสะท้อนกลับหมด  ซึ่งจะมีค่าแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดของตัวกลางเมื่อแสงตกกระทบวัตถุ แสงบ่างส่วนจะสะท้อนจากวัตถุ ถ้าแสงสะท้อนจากวัตถุเข้าสู่นัยน์ตาจะเกิดการมองเห็นและรับรู้เกี่ยวกับวัตถุนั้นได้

แหล่งกำเนิดแสง

แหล่งกำเนิดแสง คือ วัตถุที่เป็นต้นกำเนิดของแสง ซึ่งสามารถจำแนกได้เป็น 2 ประเภท

1. แสงที่เกิดจากธรรมชาติ  เช่น แสงจากดวงอาทิตย์ ดวงดาว ฟ้าแลบ ฟ้าผ่า หรือแสงที่เกิดจากสัตว์บางชนิด เช่น หิ่งห้อย โดยแหล่งกำเนิดแสงของธรรมชาติ จะเกิดจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมาก เช่น ดวงอาทิตย์ เช่นเดียวกัน แสงสว่างบนโลกของเราส่วนใหญ่นั้น ได้มากจากแสงของดวงอาทิตย์ที่แผ่พลังงานออกมารอบๆ และส่องมายังโลก และดวงดาวอื่นๆด้วย

2. แสงที่มนุษย์ประดิษฐ์ขึ้น เช่น แสงจากไฟฉาย หลอดไฟ ตะเกียง เทียนไข หรือการเผาไหม้เชื้อเพลิงต่างๆ มนุษย์นั้นได้ประดิษฐ์สิ่งที่เป็นแหล่งกำเนิดแสง ขึ้น เพื่อใช้ในเวลากลางคืน เช่น เทียนไข คบเพลิง แต่แสงเหล่านี้เกิดจากการเผาไหม้ทำให้เกิดมลพิษทางอากาศ จนกระทั่งนักประดิษฐ์ชาวอเมริกัน นามว่า ทอมัส แอลวา เอดิสัน ได้จดสิทธิบัตรในการประดิษฐ์หลอดไฟขึ้น ในยุคแรกนั้นเป็นหลอดไฟฟ้าแบบมีไส้  แต่พลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่นั้นจะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนมากกว่าที่จะเป็นแสงสว่างเสียอีก

หน่วยและการวัด

หน่วยที่ใช้ในการวัดแสง

• ความจ้า (brightness) หรือ อุณหภูมิ(temperature)
• ความสว่าง (illuminance หรือ illumination) (หน่วยSI: ลักซ์ (lux))
• ฟลักซ์ส่องสว่าง (luminous flux) (หน่วย SI: ลูเมน (lumen))
• ความเข้มของการส่องสว่าง (luminous intensity) (หน่วย SI: แคนเดลา (candela))

นอกจากนี้ยังมี:

• ความสุกใสของแสง (brilliance) หรือ แอมปลิจูด (amplitude)
• สี (color) หรือ ความถี่ (frequency)
• ความกว้างคลื่น (bandwidth)
• ความยาวคลื่น (wavelength)
• โพลาไรเซชั่น (polarization) หรือ มุมการแกว่งของคลื่น (angle of vibration)

หน่วย SI ของแสง
ปริมาณ	หน่วย SI	ตัวย่อ	หมายเหตุ
พลังงานของการส่องสว่าง	จูล (joule)	J
ฟลักซ์ส่องสว่าง (Luminous flux)	ลูเมน (lumen) หรือ แคนเดลา · สเตอเรเดียน (candela · steradian)	lm	อาจเรียกว่า กำลังของความสว่าง (Luminous power)
ความเข้มของการส่องสว่าง (Luminous intensity)	แคนเดลา (candela)	cd
ความเข้มของความสว่าง (Luminance)	แคนเดลา/ตารางเมตร (candela/square metre)	cd/m^2	อาจเรียกว่า ความหนาแน่นของความเข้มการส่องสว่าง
ความสว่าง (Illuminance)	ลักซ์ (lux) หรือ ลูเมน/ตารางเมตร	lx
ประสิทธิภาพการส่องสว่าง (Luminous efficacy)	ลูเมน ต่อ วัตต์ (lumens per watt)	lm/W

ดูเพิ่ม

• หลักการของไฮเกนส์
• โฟตอนิกส์

อ้างอิง

1. Gregory Hallock Smith (2006). Camera lenses: from box camera to digital. SPIE Press. p. 4. ISBN 978-0-8194-6093-6.
2. Narinder Kumar (2008). Comprehensive Physics XII. Laxmi Publications. p. 1416. ISBN 978-81-7008-592-8.

• แสงและการมองเห็น