Преломление и как свет изгибается

Ричард Фейнман написал для энтузиастов-любителей небольшую книгу под названием «КЭД». В нем он объясняет, как свет всегда стремится следовать определенным путям, но не потому, что свет ограничен этим конкретным путем. Согласно Фейнману, свет проходит все возможные пути. Однако мы наблюдаем свет только на тех путях, где он конструктивно интерферирует. (Ой, опять волновая природа!) К сожалению, невозможно понять поведение света, если попытаться исключить понятие фазы. Таким образом, даже в квантовой механике (или квантовой теории поля), где кто-то пытается думать об этом с точки зрения маленьких частиц, идущих разными путями, все сводится к тому, как они складываются в терминах разности фаз, определяющей, куда они движутся.

Итак, попробуем объяснить преломление аля Фейнман. У нас есть ситуация, когда на одной стороне интерфейса находится источник света, а на другой — детектор. На противоположных сторонах интерфейса находятся среды с разными показателями преломления. Теперь источник света посылает фотоны во всех возможных направлениях. На границе раздела эти частицы снова могут двигаться во всех возможных направлениях, но поскольку мы обнаруживаем только те, которые движутся к детектору, нам нужно смотреть только на те, которые движутся в этом направлении. Теперь Фейнман связал с каждым фотоном маленькие «часы» или какое-то устройство, которое в основном измеряет фазу каждого фотона на его пути. Скорость с этим опережением часов различна в двух средах. Бывает так, что когда на детекторы попадают разные фотоны, те, у кого разные настройки часов, будут иметь тенденцию отменять друг друга. Когда мы плавно изменяем пути, по которым шли фотоны, и обнаруживаем, что часы резко меняются для этих вариаций, то из-за компенсации фотоны, которые шли по этим путям, не вносят вклад в обнаружение фотонов детектором. Вместо этого путь, на котором небольшое изменение пути не приведет к разным показаниям часов, является путем, вдоль которого фотоны будут способствовать обнаружению, поскольку это подразумевает, что фотоны складываются конструктивно, когда следуют по этому пути. Оказывается, этот предпочтительный путь - тот, где можно увидеть преломление. тогда из-за компенсации фотоны, прошедшие эти пути, не способствуют обнаружению фотонов детектором. Вместо этого путь, на котором небольшое изменение пути не приведет к разным показаниям часов, является путем, вдоль которого фотоны будут способствовать обнаружению, поскольку это подразумевает, что фотоны складываются конструктивно, когда следуют по этому пути. Оказывается, этот предпочтительный путь - тот, где можно увидеть преломление. тогда из-за компенсации фотоны, прошедшие эти пути, не способствуют обнаружению фотонов детектором. Вместо этого путь, на котором небольшое изменение пути не приведет к разным показаниям часов, является путем, вдоль которого фотоны будут способствовать обнаружению, поскольку это подразумевает, что фотоны складываются конструктивно, когда следуют по этому пути. Оказывается, этот предпочтительный путь — тот, где можно увидеть преломление.

Теперь можно подумать, что это представляет физику, отличную от физики, связанной с классическим описанием света. Однако природа всегда действует одинаково. Это просто мы, люди, придумываем разные теории, чтобы попытаться посмотреть на что-то по-другому. Фейнман понял концепцию принципа Ферма, который описывает вариационную природу классического света, и затем применил ее к понятию частиц. В обоих случаях необходимо понятие фазы.

Дополнительные пояснения

Ввиду некоторых комментариев, возможно, нам нужно добавить некоторые уточняющие комментарии:

Преломление света — линейный процесс. Он не требует включения взаимодействий. Это просто результат различных дисперсионных отношений в двух средах, который вызывает этот эффект. В принципе, можно попытаться вычислить, как возникают различные дисперсионные отношения, пытаясь вычислить, как фотоны поглощаются и переизлучаются атомами в среде, но это была бы пугающая задача, не рекомендуемая, когда все, что нужно знать, это то, как свет преломляется на границе раздела. КЭД — это взаимодействующая квантовая теория электромагнитного поля и фермионов, с которыми оно связано. КЭД не нужна, чтобы понять преломление даже на квантовом уровне.

Когда мы спрашиваем, как можно объяснить преломление с точки зрения квантовой теории, важно понимать, что различие между классической теорией и квантовой теорией в этом контексте является искусственным. На самом деле они абсолютно эквивалентны. Когда кто-то рассматривает линейный сценарий (например, преломление света из-за границы раздела), то математическое описание классического поля и одиночного фотона совпадают.

Итак, когда мы говорили выше о фотонах, движущихся разными путями, на самом деле это один и тот же фотон, который одновременно движется по этим разным путям. Таким образом, интерференция происходит между различными путями (по которым проходит один и тот же фотон) из-за их разницы в фазе. Это означает, что нам не нужно рассматривать несколько фотонов, чтобы понять этот эффект. На самом деле множественные фотоны могут вызвать другие эффекты, такие как квантовая запутанность, которая может привести к квантовым эффектам, не наблюдаемым в классическом сценарии.

Вы должны понимать, что если взглянуть на содержание частиц в электромагнитной волне, теория, которая может описать эксперименты, — это квантовая теория поля (КТП) , которая не для студентов первого курса физики.

В квантовой теории поля квантово-механические взаимодействия между частицами описываются терминами взаимодействия между соответствующими лежащими в их основе квантовыми полями. Эти взаимодействия удобно визуализировать с помощью диаграмм Фейнмана, которые также служат формальным инструментом для оценки различных процессов.

В частности, свет описывается квантовой электродинамикой (КЭД). Луч света состоит из суперпозиции огромного числа фотонов, каждый из которых обладает энергией$h\nu$, где$\nu$- частота светового луча и$h$есть постоянная Планка. Классическое электромагнитное поле возникает из этого слияния не линейно, а так, как описано в этой записи в блоге .

Классическая волновая математика проще в объяснении поведения световых волн и столь же точна.

Как преломляется свет на границе раздела двух сред? Не могли бы вы дать объяснение, не ссылаясь на волновую природу света? (Я знаю, что принцип Ферма — это всего лишь расплывчатая истина)

Перейти к математике этого на уровне КЭД — непростая задача. Это все равно, что спрашивать, «как волны воды отражаются от сверстника на атомном уровне», не используя волновую механику, а только атомную структуру воды. Для описания КЭД поведения световых волн доверяют математике, которая показывает, как существует преемственность между формулировкой света в КЭД и классической электромагнитной волной.

Кроме того, как свет проходит под тем же углом, что и в более разреженной среде, после того как он прошел через более плотную среду?

Это показатель преломления каждой среды, которая входит в , и оба эффекта компенсируются. На уровне фотонной КЭД это означает, что вероятность того, что фотоны создадут световой пучок, возникающий пучок, подчиняется закону Снеллиуса . Закон в физике представляет собой инкапсуляцию множества данных/измерений и играет роль аксиомы в математике. Т.е. законы физики подбирают подмножество математических решений, которые могут соответствовать данным путем построения теоретических моделей. Закон Снелла применим к классическому поведению света, но существует математическая преемственность между представлением одного фотона и миллионами фотонов в луче.