Если свет распространяется подобно волнам, почему я не вижу за углами?

Изгиб волн вокруг углов известен как «дифракция», и его естественная шкала длины — это длина волны дифрагированной волны. Итак, если вы хотите заблокировать звук из динамика, играющего среднюю до, с длиной волны в воздухе около метра, то вам нужно препятствие много метров в поперечнике. (Здание хорошего размера.) Но чтобы заблокировать видимый свет с субмикронной длиной волны, объект миллиметрового масштаба является достаточно огромным препятствием.

Свет, путешествующий по прямым линиям, — это приближение, которое работает очень хорошо в большинстве случаев. Наиболее распространенный случай, когда он выходит из строя, - это когда свет проходит через точечное отверстие или щель. Потом немного сгибается. Это называется дифракцией.

Вы можете увидеть пример легкого изгиба, когда держите большой и большой пальцы близко друг к другу, когда смотрите между ними на монитор компьютера. Когда они разделены, свет идет прямо от монитора к вашему глазу. Когда они почти соприкасаются, кажется, что из пальцев вырастает темная шишка, заполняющая щель. На самом деле происходит то, что свет, направлявшийся к вашему глазу, отклоняется в сторону.

Это происходит постоянно, но в большинстве случаев эффект слишком мал, чтобы его заметить. Иногда важно, когда люди хотят быть очень точными в отношении того, куда падает свет.

Одно из мест, где это имеет значение, — это объективы фотоаппаратов. Они предназначены для того, чтобы направлять весь свет, исходящий из одной точки объекта, в одну точку на датчике. Если они не достигают идеальной точки, изображение получается размытым.

Изображение с сайта Pass My Exams

Линза — это гигантская дырочка. Большое отверстие вызывает меньший изгиб, чем маленькое отверстие. Но для действительно хорошего объектива дифракция является основной причиной того, что фокусировка не идеальна.

Еще одно место, где это может иметь значение, — это лазерный луч. Людям может понадобиться идеально цилиндрический лазерный луч, который никогда не распространяется. Большинство лучей довольно близко, но они распространяются на расстоянии. Лучи следуют почти прямой гиперболической траектории. Такой луч называется гауссовым. Здесь вы видите набросок искривленных волновых фронтов. Лучи показывают направление движения волновых фронтов. Лучи всегда перпендикулярны фронту волны. Разброс обычно составляет доли градуса.

Изображение из статьи RP Photonics о гауссовских пучках

Изменить - Ответ на комментарии

Размытие в нефокусных плоскостях камеры не связано с дифракцией и в равной степени хорошо описывается корпускулярной моделью света.

Хорошая точка зрения. Рисунок не иллюстрирует дифракцию. Возможно, это сбивает с толку. Он показывает, что если лучи из одной точки на объекте не попадают в одну и ту же точку на датчике, изображение будет размытым. Пленка или датчик на неправильном расстоянии — один из способов, чтобы это произошло. Аберрации объектива — еще один способ получить лучи, которые не фокусируются в точке.

Даже если их нет, дифракция помешает идеальной фокусировке.

Линза вызывает искривление в основном за счет преломления, и снова модель частиц точно описывает это.

Преломление обычно выводится из волновой модели.

Дизайн линз обычно основан на трассировке лучей и преломлении и обычно игнорирует дифракцию. Трассировка лучей рассчитывается на основе радиусов поверхности и показателей преломления линз. Эффект дифракции обычно рассчитывается отдельно от диаметров линз. Дифракцию обычно рассматривают как ограничение. Нет смысла проектировать объектив, в котором аберрации меньше круга дифракционного размытия.

Дифракцию можно рассчитать на основе модели частиц с использованием принципа неопределенности. Это легче описать с помощью разреза. Если частица света проходит через щель, неопределенность x-компоненты ее положения равна ширине щели. Это создает неопределенность в компоненте x его импульса. Это означает, что частица не может быть точно нацелена на точку, предсказанную трассировкой лучей. Дифракция через круглую апертуру аналогична, но расчеты двумерные.

Изменение размера сфокусированного луча света по мере его распространения происходит из-за искривления волновых фронтов, и в основном это не дифракция. Дифракция заключается в том, что волновые фронты конечной ширины не могут избежать некоторого расплывания, даже если они максимально коллимированы.

В гауссовом луче есть нечто большее, чем изогнутые волновые фронты. Поперечное сечение пучка имеет гауссовский профиль интенсивности. Он ярче всего в центре, исчезает, не достигая$0$. Это не совсем похоже на прохождение через точечное отверстие, но неравномерность является причиной искривления волновых фронтов. Это правильно описывается как дифракция.

На рисунке показано, что происходит, когда луч фокусируется линзой. При наличии хорошей линзы дифракция определяет размер пятна и, следовательно, насколько оно нагревается. Но точно так же определяется и угол, под которым распространяется коллимированный пучок. Картина была бы такой же, за исключением большей перетяжки луча и меньшего угла расхождения. В любом случае лучи гиперболические.

Кроме того, имеется профиль интенсивности с идеально коллимированным распределением функции Бесселя. Приблизительно этого можно добиться, пропустив гауссов пучок через линзу аксикона . Это имеет применение в буровых работах.

TL;DR: Видимый свет — нет, а радиоволны — да.

Электромагнитные волны огибают углы, если их длина волны сравнима с размером объекта (например, здания). Видимый свет с типичной длиной волны в несколько сотен нанометров, очевидно, не является хорошим кандидатом, но для радиоволн , которые могут иметь длину волны от сантиметров до многих километров, это нормальное положение дел. Вот почему мы можем использовать радиопередатчик в комнате. Известно даже, что волны исключительно большой длины распространяются вокруг Земли (см. Чрезвычайно низкая частота и длинные волны ).

Вы видите свет вокруг углов . Включите свет и пройдите за угол, вы видите свет? Конечно да, потому что свет отражается от поверхностей. Скорее всего, вы не можете хорошо определить источник света из-за интерференции света, отражающегося от множества дефектов поверхности стены, на которую вы смотрите. Но если вы сгладите их и сделаете хорошее зеркало, вы заметите, что можете разрешить довольно много деталей из-за угла.

Если свет распространяется подобно волнам, почему я не вижу за углами?

Ты можешь. Более того, вы можете видеть, как свет преломляется точно так же, как звуковая волна. Разница в масштабе.

Попробуйте следующий эксперимент. Возьмите чистый нож, поставьте за этим ножом небольшой яркий светодиод (например, фонарик камеры телефона в режиме фонарика). Выключите комнатный свет, чтобы наблюдать за лезвием ножа в темноте (мешает только светодиод). Вы увидите, что край светится. По мере того, как вы медленно приближаете светодиод к краю, вы увидите, что край светится ярче, пока в какой-то момент вы не увидите сам светодиод.

То, что вы видели в этом эксперименте, — это свет от светодиода, преломляющийся на краю ножа. Создается впечатление, что сам край излучает этот свет. Точно так же вы услышите, как кто-то кричит из-за одинокого здания: как будто звук исходит с края здания, а не из-за него.

В других ответах уже упоминается, что видимый свет имеет очень короткую длину волны, поэтому мы обычно не видим за углами так же, как слышим звуки за углами. И это хорошо, иначе мы бы увидели вокруг себя довольно грязный мир!

Но на самом деле мы можем заглянуть за углы и заглянуть внутрь объектов, если воспользуемся фемтофотографией — техникой, которая может « создавать замедленное видео света в движении ». Я рекомендую всем посмотреть это самое удивительное выступление на TED: Изображение со скоростью триллиона кадров в секунду . Им удалось опубликовать в Nature Communications « Восстановление трехмерной формы за углом с помощью сверхбыстрого времени пролета изображения» , а Nature даже выпустила крутую анимацию « Как заглянуть за угол» . Техника настолько удивительна, что на некоторых изображениях дифракционная рябь видна в неправильном направлении из-за искажения времени.

Еще один, очень, очень крутой, но все же в основном теоретический способ наблюдения за объектами — это зеркало с фазовым сопряжением (см. также эту и эту статьи в журнале Scientific American), метод, основанный на странных эффектах нелинейной оптики для получения сопряженная волна, которая автоматически компенсирует фазовые искажения и фокусировку, но, насколько я знаю, до сих пор были построены только очень крошечные и ограниченные по частоте зеркала.

Свет не взаимодействует сам с собой , из квантовой электродинамики мы знаем, что фотоны не могут соединяться друг с другом, поскольку они являются безмассовыми бозонами. Что происходит в эксперименте по дифракции с двумя щелями, так это то, что фотон взаимодействует сам с собой — или, лучше сказать, возможные пути прохождения через щели интерферируют друг с другом — что доказано экспериментами, в которых источник света настолько слаб, что только одна частица пересекает щель. щели за раз, но дифракционная картина сохраняется (см. здесь и здесь ).

Весь свет будет преломляться (дифрагировать) вокруг углов и препятствий.

Величина его изгиба зависит от его длины волны (или частоты). Более длинные волны (= более низкая частота) преломляют намного больше, более короткие длины волн (= более высокая частота) преломляются намного меньше.

Так, например, рентгеновские лучи будут намного меньше преломляться вокруг препятствия, чем видимый свет, но они все равно будут преломляться — на самом деле это один из методов, используемых для исследования структуры кристаллов и больших молекул — поместить их на пути некоторых рентгеновских лучей. и посмотрите на дифракционные картины, которые он создает.

Проблема в том, что видимый свет представляет собой довольно маленькую полосу длин волн, и все они довольно короткие по сравнению с размерами повседневных объектов. Таким образом, вы не увидите большого изгиба, как предполагает ваш вопрос, или огромного размытия вокруг каждого угла.

Если вы сделаете то же самое с более длинными волнами, такими как радиоволны или Wi-Fi, да, они действительно хорошо сгибаются вокруг углов. На самом деле они тоже могут огибать кривизну земли.

Это потому что:

• длина волны видимого света: около 1/1000 миллиметра (намного меньше масштаба повседневных предметов)
• длина волны радиоволн: от 0,5 м до 10 м (сопоставимо с повседневными предметами и зданиями)

Даже в этом случае вы можете довольно легко увидеть, как видимый свет дифрагирует вокруг объектов. Есть много экспериментов и ситуаций, когда это очевидно. Но в основном их длина волны мала по сравнению с повседневными объектами, поэтому мы обычно не замечаем незначительной степени дифракции.

Свет рядом с углом будет преломляться вокруг угла. Свет немного дальше от угла также будет дифрагировать, хотя и не так сильно. Для узкой щели дифрагирует лишь небольшое количество света, но по мере того, как щель становится все больше и больше, появляется все больше и больше мест для дифракции. Можно подумать, что это будет означать большую дифракцию света, но вся эта дифракция порождает деструктивную интерференцию, поэтому чем шире пространство рядом с углом, тем уже пучок дифрагированного света (это связано с принципом неопределенности: если у вас есть очень узкая щель, у вас низкая неопределенность, где находится свет, поэтому у вас высокая неопределенность, в каком направлении он идет).

Является ли щель «узкой» или нет, зависит от длины волны. Если вы слушаете кого-то в другой комнате и дверь открыта, дверной проем «маленький» по сравнению с длиной волны звуковых волн, но он огромен по сравнению с длиной волны видимого света, поэтому степень дифракции света незначительна. Wi-Fi использует электромагнитные волны с длиной волны, намного большей, чем у видимого света, поэтому он может намного лучше обходить углы.

почему свет, попадающий мне в глаза, не с одинаковой вероятностью шел из-за предметов и из-за углов

Вообще говоря, амплитуда для прямых путей выше, чем для изогнутых путей. Существует множество различных изогнутых путей, и они могут иметь самые разные фазы и, таким образом, деструктивно мешать друг другу. Существует только один прямой путь, а у близлежащих путей будут фазы, близкие к одинаковым, и, следовательно, будет конструктивная интерференция.

Вот способ подумать об этом: только свет, очень близкий к краю, изгибается по краю. И «действительно близко» означает «примерно длину волны света», которая, как указывали другие, крошечная. Это означает две вещи.

1. Количество света , которое огибает угол, просто крошечное, поскольку это только свет, который был так близко к краю. Так что вы не можете его увидеть, потому что просто недостаточно света. (Или, может быть, вы можете немного в темной комнате в эксперименте с ножом, но в этом случае вам нужно, чтобы в комнате было темно.)

2. Весь свет, который изгибается к вам из-за угла , исходит от этой крошечной полоски, так что вы не получаете изображения того, что находится за стеной, а только незначительно более яркий край стены. Ключевым моментом при видении изображения является то, что свет попадает в ваше глазное яблоко с разных направлений, а край стены означает, что единственное изменение направления дифрагированного света — вверх и вниз. Но опять же, его все равно не видно, потому что его слишком мало.

• Может ли свет изменить направление в пустом пространстве, взаимодействуя сам с собой?

Нет, точно так же, как волны воды, световые волны проходят друг через друга, складываются в области пересечения (=интерференция) и выходят так же, как пришли. Но свет искривляется на углах. В более глубоком смысле свет взаимодействует сам с собой в соответствии с оптикой Гюйгенса (волна — это сумма точек, подобных осцилляторам), и именно поэтому он создает волны. А когда свет не может взаимодействовать с соседним светом из-за угла, тогда волна изгибается (этот эффект наблюдается и в волнах на воде).

• почему свет, падающий на мои глаза, не с одинаковой вероятностью распространяется из-за предметов и из-за углов?

Потому что эффект небольшой, но исторически продемонстрированный Араго/Пуассоном с видимым светом.