Efter ett regn kan solen plötsligt lysa fram och en regnbåge synas på himlen. Solljuset ser vitt ut, men i regnbågen ser vi många olika färger. Var kommer färgerna ifrån? Färgerna skapas inte av regndropparna. De finns redan i det vita solljuset. Vattendropparna gör bara att färgerna skiljs åt så att vi kan se dem.

Ett prisma är en genomskinlig bit glas eller annat material med plana ytor som lutar mot varandra. När vitt ljus går genom ett prisma bryts det. Men alla färger bryts inte lika mycket. Det beror på att olika färger har olika våglängd och därför påverkas lite olika när de går genom glaset. Rött ljus bryts minst och violett ljus mer. Därför kommer färgerna ut ur prismat i olika riktningar. Det vita ljuset har delats upp i ett spektrum.

På 1600-talet undersökte den engelske fysikern Isaac Newton vad som händer när solljus passerar genom ett prisma. Han mörklade ett rum och släppte in en smal stråle solljus genom ett hål. Sedan lät han ljuset passera genom ett glasprisma. På väggen på andra sidan såg han ett avlångt band av färger. En viktig fråga var om prismat skapade färgerna. Newton gjorde därför fler experiment. Bland annat lät han en enda färg från spektrumet passera genom ännu ett prisma. Den färgen delades inte upp i nya färger. Han drog därför slutsatsen att färgerna redan finns i det vita ljuset. Prismat skiljer bara färgerna åt. Det var en viktig upptäckt. Vitt solljus är alltså inte en enda färg, utan en blandning av många olika färger.

Du har kanske lärt dig att regnbågen har sju färger:

rött, orange, gult, grönt, blått, indigo och violett.

Men om du tittar noga på ett spektrum finns inga skarpa gränser mellan färgerna. Rött går gradvis över i orange, orange i gult och så vidare. Spektrumet innehåller alltså en kontinuerlig övergång mellan många olika färgnyanser.

Att just sju färger blev en vanlig indelning beror på Isaac Newton. Han tyckte att det fanns ett samband mellan färger och musik och jämförde färgerna i spektrumet med tonerna i en musikalisk skala. Därför valde han att dela in spektrumet i sju namngivna färger. Det finns alltså inget i naturen som säger att regnbågen måste delas in i just sju färger.

En regnbåge uppstår när solljus träffar små vattendroppar i luften. När ljuset går in i droppen bryts det, och de olika färgerna skiljs åt eftersom de bryts olika mycket. En del av ljuset reflekteras mot droppens baksida och bryts sedan en gång till när det lämnar droppen. Då kommer de olika färgerna ut ur droppen i lite olika riktningar. När ljuset från många miljontals vattendroppar når våra ögon från rätt håll ser vi färgerna tillsammans som en båge på himlen.

För att se en regnbåge behöver du ha solen bakom dig och regndropparna framför dig. Vilka droppar som skickar ljus till just dina ögon beror på exakt var du står. Om personen bredvid dig tittar på samma regnbåge är det därför ljus från andra vattendroppar som når hens ögon.

På så sätt är varje regnbåge unik – ingen annan ser exakt samma regnbåge som du.

Har du försökt läsa den pyttelilla texten på en förpackning eller tittat på en fågel långt bort och önskat att du kunde komma närmare? Våra ögon är fantastiska, men de har sina begränsningar. Mycket små saker blir för små för att vi ska kunna urskilja detaljerna, och föremål långt bort ser små ut. Med hjälp av linser kan vi styra ljuset så att vi kan se sådant som annars skulle vara svårt eller omöjligt att upptäcka.

En lupp, eller ett förstoringsglas, är i sin enklaste form en enda konvex samlingslins. När ett litet föremål hålls nära linsen kan det se mycket större ut. Linsen gör inte själva föremålet större. I stället bryter den ljuset på ett sådant sätt att ögat ser en förstorad bild. Ju starkare linsen är, desto mer kan den förstora. En stark lins har kortare brännvidd än en svagare lins.

Förstoringsglas används till exempel när man vill läsa liten text, studera insekter eller undersöka små detaljer i föremål.

En lupp kan förstora ganska mycket, men för att se riktigt små saker behövs ett mikroskop. I ett vanligt ljusmikroskop används flera linser. Nära det föremål som ska undersökas finns ett objektiv. Det är en samlingslins som skapar en förstorad bild av föremålet. Sedan tittar vi på den bilden genom ytterligare en lins som kallas okular.

Okularet fungerar ungefär som ett förstoringsglas och förstorar bilden en gång till. På så sätt kan två linssystem tillsammans ge en mycket större förstoring än en vanlig lupp. Med ett ljusmikroskop går det till exempel att studera celler och andra mycket små strukturer som inte går att se tydligt med blotta ögat.

När du använder ett mikroskop måste avståndet mellan föremålet och linserna vara rätt. Om föremålet ligger på fel avstånd samlas inte ljuset där det ska och bilden blir suddig. När du vrider på mikroskopets ratt flyttas därför objektivet eller provet en liten sträcka. På så sätt ändrar du var bilden hamnar tills den blir skarp. Det är samma grundidé som när ögat eller en kamera ställer in fokus.

Med ett mikroskop vill vi se små saker på nära håll. Med en kikare vill vi i stället se saker långt bort. En kikare samlar in ljus från ett avlägset föremål med hjälp av ett objektiv. Objektivet skapar en bild inne i kikaren. Sedan tittar vi på bilden genom ett okular, som förstorar den för ögat. Resultatet blir att exempelvis en fågel långt bort ser större ut och att vi kan urskilja fler detaljer.

Objektivet i en kikare har också en annan viktig uppgift: det samlar in ljus. Ett stort objektiv kan samla in mer ljus än ett litet. Det är särskilt viktigt när det är ganska mörkt. Därför har kikare som ska användas i svagt ljus ofta stora objektiv. Samma idé används i astronomiska teleskop. För att kunna se mycket svaga stjärnor och galaxer behöver teleskop samla in så mycket ljus som möjligt.

Om man bara använder linser kan bilden i en kikare hamna upp och ner. I många kikare låter man därför ljuset passera genom prismor inne i kikaren. Där reflekteras ljuset flera gånger innan det når ögat. Prismorna gör bland annat att bilden hamnar rättvänd. De kan också göra kikaren kortare genom att ljusets väg viks inne i instrumentet.

Här används alltså både brytning och reflektion för att styra ljuset.

Du tar fram mobilen, riktar kameran mot en kompis och trycker på knappen. Nästan omedelbart finns en skarp bild på skärmen. Det känns enkelt, men inne i kameran måste ljuset styras mycket noggrant. Ljuset från varje del av motivet måste hamna på rätt plats i bilden. En kamera använder alltså samma fysik som vi redan har mött när vi studerat linser, ljusbrytning och ögat.

Det går faktiskt att skapa en bild utan någon lins alls. Tänk dig en helt mörk låda med ett mycket litet hål i ena sidan. Ljus från omgivningen kan komma in genom hålet och träffa lådans bakre vägg. Ljus från toppen av ett föremål går genom hålet och fortsätter ned mot lådans botten. Ljus från föremålets nedersta del går i stället uppåt. På väggen bildas därför en bild som är upp och ner. En sådan anordning kallas camera obscura, vilket betyder ungefär ”mörkt rum”. Principen har varit känd i flera tusen år.

Men hålet måste vara väldigt litet. Om hålet är för stort kan ljus från samma punkt på föremålet träffa flera olika platser på väggen. Bilden blir då suddig. Ett mycket litet hål ger en skarpare bild. Men det finns ett problem: ett litet hål släpper in väldigt lite ljus. Bilden blir därför mörk. Vi skulle vilja få in mycket ljus och samtidigt få en skarp bild. Det problemet kan lösas med en lins.

Framtill på en vanlig kamera finns ett objektiv. Ett objektiv består vanligtvis av flera linser som tillsammans styr ljuset. Linserna kan samla ljus från en viss punkt på motivet och få det att mötas på en bestämd plats i bilden. På så sätt kan objektivet släppa in mycket mer ljus än det lilla hålet i en camera obscura och ändå skapa en skarp bild. I en digitalkamera träffar ljuset en bildsensor. Sensorn består av mycket många små ljuskänsliga delar som registrerar ljuset och används för att skapa den digitala bilden.

För att bilden ska bli skarp måste ljuset samlas precis på bildsensorn. Om sensorn ligger framför eller bakom den plats där ljusstrålarna möts blir bilden suddig. När kameran fokuserar ändras därför avståndet mellan linserna och bildsensorn, eller så flyttas delar av objektivet. Det är samma grundproblem som i ögat. Där ändrar ögats lins form för att bilden ska bli skarp på näthinnan.

I objektivet finns ofta en öppning som kallas bländare. Bländaren kan göras större eller mindre. En stor öppning släpper in mycket ljus. En liten öppning släpper in mindre ljus. Det kan jämföras med ögats pupill, som blir större i mörker och mindre i starkt ljus. Bländaren påverkar också hur stor del av bilden som kan uppfattas som skarp. Med en stor bländaröppning kan fotografen få motivet skarpt medan bakgrunden blir suddig. Det kan användas för att rikta betraktarens uppmärksamhet mot en person eller ett föremål.

Till skillnad från ögat måste du också bestämma hur länge sensorn i kameran ska utsättas för ljus. Den tiden kallas slutartid eller exponeringstid. En mycket kort slutartid kan frysa en snabb rörelse. En fotboll som flyger genom luften kan då se helt stilla ut på bilden. Med en längre slutartid hinner föremålet röra sig medan bilden tas. Då kan rörelsen bli synlig som ett suddigt spår. Det behöver inte vara ett misstag. Fotografen kan medvetet använda lång exponering för att visa rörelse.

Fotografi är därför inte bara ett sätt att avbilda verkligheten. Kunskap om ljus kan också användas för att skapa bilder som vi aldrig skulle kunna se med ögat på samma sätt. Ett exempel är ljusmålning. Kameran placeras stilla och slutaren hålls öppen under flera sekunder. Om någon rör en ficklampa framför kameran hinner ljuset träffa olika delar av sensorn under exponeringen. På fotografiet kan lampans väg då synas som ett långt lysande streck. På samma sätt kan bilars lampor bilda långa ljusspår på ett fotografi taget på natten.

Våra ögon ser världen hela tiden, ögonblick efter ögonblick. Ett fotografi kan däremot samla ljus under en bestämd tidsperiod. Med en kort exponering kan kameran fånga ett mycket kort ögonblick som ögat knappt hinner uppfatta. Med en lång exponering kan flera sekunders eller minuters händelser samlas i en enda bild. Vatten i ett vattenfall kan då se mjukt och dimmigt ut, stjärnor kan bilda spår över himlen och människor som rör sig kan nästan försvinna ur bilden. Fotografen använder alltså fysiken för att bestämma hur tiden ska synas i fotografiet.

Objektiv kan ha olika brännvidd. Ett objektiv med kort brännvidd kan visa ett stort område. Sådana objektiv används ofta när man vill få med mycket av ett landskap eller ett rum. Ett objektiv med lång brännvidd visar ett mindre område men gör det möjligt att fotografera detaljer hos föremål långt bort. Det är användbart till exempel vid djur- och sportfotografering. Fotografen kan därför välja objektiv beroende på vilken del av världen som ska få plats i bilden.

En kamera följer fysikens lagar. Ljuset reflekteras från motivet, bryts i objektivet och registreras av bildsensorn. Men fotografen kan bestämma hur fysiken ska användas. Genom att välja fokus, bländare, slutartid, brännvidd och var kameran placeras går det att skapa mycket olika bilder av samma verklighet. Fotografi blir därför ett möte mellan fysik, teknik och konst.

Ett av världens mest kända fotografier togs på julafton 1968. Rymdfarkosten Apollo 8 färdades runt månen med astronauterna Frank Borman, James Lovell och William Anders ombord. När farkosten kom fram från månens baksida såg astronauterna plötsligt jorden stiga upp över månens grå horisont. William Anders tog snabbt fram en kamera och fotograferade synen.

Bilden fick namnet Earthrise, eller Jorduppgång. Den visar den blåvita jorden ovanför månens mörka och karga yta. Kameran var en Hasselblad, tillverkad av det svenska kameraföretaget med rötter i Göteborg. NASA använde specialanpassade elektriska Hasselbladkameror under Apollo 8. När Anders fotograferade jorduppgången använde han en Hasselblad med ett 250 mm teleobjektiv.

Det är ett bra exempel på vad en lång brännvidd kan användas till. Teleobjektivet gav ett relativt smalt bildfält och gjorde det möjligt att låta den avlägsna jorden bli en tydlig del av bilden. Men fotografiet blev betydelsefullt av fler skäl än de tekniska.

För första gången kunde människor på jorden se sin egen planet fotograferad av en människa från omloppsbana runt en annan himlakropp. Mot månens grå yta såg jorden liten, färgstark och ensam ut i den svarta rymden. Jorduppgång blev därför inte bara ett dokument från en rymdfärd. Bilden blev också en symbol för vår planet och för hur tunn och begränsad den miljö är som allt liv på jorden är beroende av.

Fotografiet visar hur teknik och fysik ibland kan skapa något som också får ett stort kulturellt värde. En kamera, några linser och ljus som färdats hundratusentals kilometer gjorde det möjligt att skapa en bild som förändrade hur många människor såg på jorden.