At lyset kan brydes har vi jo alle observeret — sætter man en ske i et glas vand ser det ud som om den “knækker” i overfladen, og hvis man sidder på kanten af en svømmepøl og kigger ned på sine ben, der er under vand, så ser de mærkelige og forkortede eller forskudte ud.

Det skyldes at når lyset skifter medie - altså for eksempel overgår fra luft til glas til vand til glas til luft igen på vejen gennem et glas vand, så skifter det også hastighed.

Hov — hvad er nu det for noget? — vi har jo alle en gang lært at lysets hastighed er konstant og umulig at overstige, og det er også sandt — i vakuum! I andre medier, herunder glas og vand, bevæger lyset sig målbart langsommere end i vakuum, og den faktor som lyset bremses med kaldes stoffets brydningsindeks. 

Langhåret? Ja, lidt, men forestil dig følgende:

Du har været ude og hente en tønde øl, men da din trillebør er punkteret, så må du trille den hjem.
Hvis du nu skal have den op over en fortovskant, så er du nødt til at rulle den helt vinkelret på kanten, for at komme op over den, uden at tønden hopper til den ene eller den anden side.
Det er det samme der sker når lys går fra et materiale til et andet — det rammer en “kant” der bremser det, så hvis ikke det rammer helt vinkelret på, så “hopper det til siden” - og bliver altså afbøjet eller “brudt”, fordi den ene side af lysstrålen bremses mere og tidligere end den anden.

Men hvad er det der giver forskellige stoffer deres brydningsindeks? Ja, det er der skrevet mange bøger og afhandlinger om, men en væsentlig faktor er stoffets massefylde — jo tættere stof, jo langsommere lys. Det er derfor at “krystalglas”, der ofte indeholder store mængder bly og dermed har stor massefylde, bryder lyset så kraftigt og derfor “funkler” så spektakulært.

Hvad nu hvis man kunne lave et stof der gradvist ændrede massefylde? Hvad ville der så ske? Ja, vi kan prøve at forestille os det ved hjælp af vore øltøndeanalogi; her vil det svare til at mens vi stille og roligt ruller ligeud hen ad fortovet kommer den ene ende af tønden ved et uheld ind i et blomsterbed, hvorved den bremses lidt, og tønden drejer en lille smule indad mod bedet. Nu kører den gradvist mere og mere ind i bedet og jo længere enden kommer ind, jo mere bremses den, og jo mere voldsomt vil tønden forsøge at trille ind i bedet, og hvis ikke den rettes op vil den til sidst være rullet helt ind oveni din mosters anemoner. Her er der altså tale om en gradvis drejning, snarere end et spring til den ene eller anden side.

Alt det her med en gradvis massefyldeændring — eller på kemisk en densitetsgradient — lyder måske lidt konstrueret og teoretisk, men faktisk er det ret let at realisere i virkeligheden. Du skal bruge et glas (varmt) vand og noget lys sirup eller sukker.

Hæld vand i glasset og stil det et sted hvor det kan stå uforstyrret i et par timer (evt. dage). Tilsæt ½-1dL sukker eller sirup uden at røre rundt. Det er meget vigtigt at der opstår to lag. Lad det nu stå i et par timer, og efterhånden som sukker eller sirup går i opløsning vil der danne sig en gradient, hvor opløsningen er mest koncentreret nede ved bunden og mindst oppe ved toppen. At det kan bøje en lysstråle kan du nemt se ved at lyse hen over grænsefladen med en laserpointer, som eksemplet herunder viser.

Bemærk hvordan strålen først afbøjes jævnt i overgangslaget, hvor der er en nogenlunde jævn gradient, hvorefter den “knækker” / springer, idet den rammer grænsen til den endnu ikke opblandede sirup, som har en væsentlig større massefylde og derved bryder lyset kraftigere.


Efter ca. 6 timer. Bemærk at laserstrålen rammer bordet ude til venstre for glasset.
Midt i væskesøjlen ses spejlbilledet af komfurets overflade. Dette skyldes også forskellen i brydningsindeks

Det er desværre ikke muligt at skynde væsentligt på reaktionen, ud over ved at bruge varmt vand. Første gang jeg prøvede med sukker og postevand gik der 2-3 dage inden effekten var helt tydelig. bemærk at glasset godt kan flyttes med stor varsomhed, men jo mindre det flyttes og rystes jo bedre.

Sirup lader til at danne en acceptabel gradient på et par timer eller fire, når vandet er næsten kogende til at starte med, men det er jo “gratis” at lade glasset stå og hygge sig til dagen efter - så længe det ikke står i vejen :-)

Desværre er der en naturlig begrænsning i hvor stejl en gradient man kan lave på denne måde, så krumningen bliver ikke helt så spektakulær som jeg godt kunne tænke mig — men hvis nogen har et godt forslag til hvordan det bliver vildere, så råb endelig højt — i kommentarene, eller på anden måde!

Kilde / Inspiraion

Jeg ved at jeg har set det her i en (youtube?)video hvor nogle fysikshowagtige personager (Cirkus Naturligvis? DTU Scenceshow?) med stort talent får lyset helt ned og ramme et spejl i bunden af et akvarie og reflekteret op igen, og bøjet nok en gang — men jeg kan overhovedet ikke få den gravet ud af gemmerne. For en gangs skyld er min google-fu ikke stærk nok. Hvis du falder over den, så drop mig lige en besked, mail eller kommentar, så jeg kan kreditere dem for at inspirere mig, linke til deres seje video, og måske være lige så fed selv.

UPDATE: Jeg fandt det — det er fysiklegestuen, og de tegner og fortæller på: http://www.dr.dk/DR2/Danskernes+akademi/Natur_Matematik/Fysiklegestuen_fatamorgana.htm Jeg synes dog alligevel det er helt hæderligt at opnå det her resultat — opstillingen er jo ikke just raketvidenskab… ;-)


Jeps - det er en kasse rødvin, mit kameraetui, en laserpointer, en limklemme, to grydelapper, et skærebræt, en skumgummiplade og mit gamle IXUS 50 med CHDK oven på mit komfur… Hvem har brug for et optisk bord?

\Worm