De lichtsnelheid, ~ 300.000.000 m /s, is de snelste die alles kan reizen. Daarom wordt het ook wel de snelheidslimiet van het universum genoemd.

Op deze manier is het begrijpen van licht cruciaal voor het begrijpen van de fundamentele grenzen van het universum zelf, van zijn grootste tot zijn kleinste.

Hoewel licht altijd met dezelfde snelheid
in een bepaald medium reist, als een vorm van elektromagnetische straling, kan het verschillende frequenties hebben of of < em> golflengten
. De frequenties en golflengten van het licht als elektromagnetische golven omgekeerd met elkaar veranderen langs een spectrum.

Op de langste golflengte en het laagste frequentie-einde zijn radiogolven, waarna magnetron, infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet, X- komt straal en energierijke gammastralen, elk met steeds kortere golflengten en hogere frequenties.
Elementaire deeltjes en het standaardmodel voor deeltjesfysica

Natuurkundigen begonnen in de jaren dertig te leren dat alle materie in het universum samengesteld uit een paar fundamentele deeltjes, bekend als elementaire deeltjes, die allemaal worden beheerst door dezelfde set fundamentele krachten. Het standaardmodel van de deeltjesfysica is een verzameling vergelijkingen die bondig proberen te beschrijven hoe al deze elementaire deeltjes en de fundamentele krachten zich verhouden. Licht is een cruciaal onderdeel van deze universele beschrijving.

In ontwikkeling sinds de jaren 1970 heeft het standaardmodel tot nu toe de resultaten van vele, maar niet alle, kwantumfysische experimenten correct voorspeld. Een opvallend probleem dat nog in het model moet worden opgelost, is hoe zwaartekracht in de verzameling vergelijkingen kan worden opgenomen. Bovendien geeft het geen antwoorden op enkele grote kosmologische vragen, waaronder het uitzoeken wat donkere materie is of waar alle antimaterie die in de Big Bang is gecreëerd, is verdwenen. Toch wordt het algemeen geaccepteerd en beschouwd als de beste theorie voor het verklaren van de fundamentele aard van ons bestaan tot nu toe.

In het standaardmodel bestaat alle materie uit een klasse elementaire deeltjes die fermions . Fermions zijn er in twee soorten: quarks
of leptons
. Elk van deze categorieën is verder onderverdeeld in zes deeltjes, gerelateerd in paren die bekend staan als generaties
. De eerste generatie is de meest stabiele, met zwaardere en minder stabiele deeltjes gevonden in de tweede en derde generatie.

De andere componenten van het standaardmodel zijn krachten en dragerdeeltjes, bekend als bosonen
. Elk van de vier fundamentele krachten - zwaartekracht, elektromagnetisch, sterk en zwak - wordt geassocieerd met een boson dat de kracht overbrengt in uitwisselingen met materiedeeltjes.

Deeltjesfysici die aan versnellers werken of uitkijken naar botsingen met hoogenergetische deeltjes door de ruimte heeft bosonen geïdentificeerd voor de laatste drie krachten. Het foton is het boson dat de elektromagnetische kracht in het universum draagt, het gluon
draagt de sterke kracht en de W
en Z
deeltjes dragen de zwakke kracht. Maar het theoretische boson voor zwaartekracht, de graviton
, blijft ongrijpbaar.
Geselecteerde Lichtverschijnselen

Blackbody-straling. Blackbodies zijn een hypothetisch type object (perfecte exemplaren bestaan niet in de natuur) die alle elektromagnetische straling absorberen die hen treft. In essentie dient elke elektromagnetische straling die een blackbody treft om het te verwarmen en de straling die het afgeeft tijdens koeling is daarom direct gerelateerd aan zijn temperatuur. Natuurkundigen kunnen deze benadering gebruiken om de eigenschappen van bijna perfecte zwarte lichamen in het universum af te leiden, zoals sterren en zwarte gaten.

Terwijl de golfkarakter van licht helpt de frequenties van zwartlichaamsstraling te beschrijven die een object zal absorberen en uitstoten, zijn deeltjeskarakter als een foton helpt het ook wiskundig te beschrijven, omdat de energieën die het zwartlichaam kan bevatten worden gekwantiseerd. Max Planck was een van de eersten die dit fenomeen onderzocht.

Het experiment met dubbele spleet. Een centraal principe van de kwantumfysica, het dubbel gespleten experiment laat zien hoe een licht schijnen op een barrière met twee smalle openingen resulteert in een onderscheidend patroon van lichte en donkere schaduwen bekend als een golfinterferentiepatroon
.

Het vreemde deel hiervan is dat een enkel foton dat door de opening wordt getoond zich nog steeds zal gedragen alsof het andere fotonen verstoort, ondanks dat het alleen en ondeelbaar is. Dit wil zeggen dat het in het experiment waargenomen lichtpatroon niet kan worden verklaard door licht alleen als een foton of een golf te behandelen; het moet beide worden beschouwd. Dit experiment wordt vaak aangehaald om uit te leggen wat wordt bedoeld met het idee van dualiteit van golfdeeltjes.

Het Compton-effect. Het Compton-effect is een ander waarneembaar voorbeeld van de wisselwerking tussen lichtgolf en deeltjesnatuur. Het beschrijft hoe zowel energie als momentum worden behouden wanneer een foton op een stationair elektron botst. Het combineren van de vergelijking voor de hoeveelheid energie van een foton met momentumconserveringsvergelijkingen laat zien dat de resulterende golflengte van het uitgaande foton (het aanvankelijk nog elektron) kan worden voorspeld door de golflengte van het binnenkomende foton dat het energie gaf.

Spectroscopie. Met de techniek van spectroscopie kunnen natuurkundigen, scheikundigen, astronomen en andere wetenschappers de materiële samenstelling van een object, inclusief verre sterren, onderzoeken door eenvoudig de patronen te analyseren die het gevolg zijn van het splitsen van binnenkomend licht uit dat object met een prisma. Omdat verschillende elementen fotonen absorberen en uitzenden in discrete kwanta, vallen de waargenomen elektromagnetische golflengten in discrete segmenten, afhankelijk van welke elementen de objecten bevatten.

Massa-energie-equivalentie. Veel kinderen kunnen de beroemde vergelijking van Einstein reciteren E \u003d mc ^{2
. Kort en bondig, de ware implicaties van deze vergelijking zijn diepgaand: massa m
en energie E
zijn equivalent en kunnen in elkaar worden omgezet met behulp van de snelheid van het licht in een vacuüm, c
, vierkant. Dit betekent belangrijk dat een object dat niet beweegt nog steeds energie heeft; in dit geval wordt gezegd dat zijn rustmassa
gelijk is aan zijn rustenergie
.}

Deeltjesfysici gebruiken massa-energie-equivalentie om eenvoudiger eenheden voor sommige van hun metingen te bepalen. Kwantumfysici zoeken bijvoorbeeld naar de massa van fermionen of bosonen door subatomaire deeltjes zoals protonen en elektronen te versnellen tot bijna-lichtsnelheden in gigantische versnellers en ze samen te breken, en vervolgens de effecten van het "puin" in zeer gevoelige elektrische arrays te analyseren.

In plaats van een massa in kilo's te geven, is de gebruikelijke manier om deeltjesmassa's te rapporteren echter in giga-electron-volt, of GeV, een eenheid van energie. Om deze waarde terug te brengen naar een massa in de SI-eenheid van kilogrammen, kunnen ze deze eenvoudige relatie gebruiken: 1 GeV / c
^{2 \u003d 1.78266192 × 10 −27 k.}