Jak ohýbat světlo?

Světlo obecně necestuje po přímkách (i když dělá to v těch, s nimiž se obvykle setkáváme).

Zaprvé, světlo je ve skutečnosti vlna a lze o něm uvažovat jen přibližně tak, že se skládá z nezávisle se šířících paprsků. To se stane, když je vlnová délka světla mnohem menší než vzdálenosti, na které se šíří, což je obvykle případ světla (jehož vlnová délka ve viditelném rozsahu je 0,4 $ až 0,7 $, \ mu \ textrm {m} $), ale nemusí to nutně být např pro rádiové vlny a , jsou-li zahrnuty nanočástice .

V tomto omezení krátkých vlnových délek, šíření vln ustupuje šíření paprsků (což je speciální, přibližný případ prvního), konkrétně Fermatovu principu pro matematický popis světla. Tento princip uvádí, že světelné paprsky začínající na $ A $ a končící na $ B $ budou následovat cestu, která minimalizuje dobu jízdy $$ S = \ int_A ^ B n (s) \ textrm {d} s , $$ kde $ n (s) $ je (možná prostorově závislý) index lomu podél cesty.

Pro homogenní médium to skutečně dává přímé linie pro šíření. Pro rovinné rozhraní mezi dvěma různá média, která poskytuje Snellov zákon o lomu a také popisuje reflexi. (Protože však nezohledňuje skutečnou povahu světla jako oscilačního elektrického pole, tento popis nemůže předpovědět koeficienty přenosu nebo odrazu .

Nicméně pokud médium není homogenní, pak světlo ne cestovat po přímce a pro složité nehomogenity může být cesta odpovídajícím způsobem obtížně vypočítatelná. Například viz formace mirage nebo obecněji atmosférický lom . Naopak, má-li člověk cestu, kterou si přeje, aby daný světelný paprsek vzal, je možné vytvořte prostorovou závislost indexu lomu, která způsobí, že se světlo ohne tímto způsobem. (Samozřejmě, zda je taková závislost fyzicky přiměřená, je jiná věc; pokud se cesta ohne příliš ostře, pak nemusí být možné najít materiály s jádry je nezbytně nutný velký index a gradienty indexu.)

Po celou dobu ohýbáme světlo – pomocí čoček.

Světlo se ohýbá při přechodu z jednoho materiálu na druhý kvůli zachování hybnosti.

Snellův zákon popisuje, jak se světlo ohýbá.

Světlo se také ohýbá, když cestuje kolem masivní objekty – podívejte se na „gravitační čočku“, pokud vás to zajímá.

Světlo lze efektivně ohýbat do parabolické dráhy pomocí materiálů, které mají měnící se index lomu. To se děje ve vláknové optice pomocí „ vlákna s odstupňovaným indexem .“

Komentáře

• omlouvám se, že jsem k tomu zapomněl přidat parabolickou cestu! Nyní jsem to udělal!
• Nechtěl bych ' říci, že světlo je ve vláknech s odstupňovaným indexem jakkoli (efektivně či ne) ohnuto. Je ' tak zavádějící, jako je vykreslení odrazu světelného paprsku ve vláknu s krokovým indexem. V jednom vlákně s přímým odstupňovaným indexem se světlo šíří po přímce, protože vytváří stojatou vlnu v příčném směru, takže nedochází k žádnému šíření.
• @texnic: ale v multimode graded-index vlákna, světlo indee sleduje sinusovou cestu.

Abychom zde zobecnili všechny pěkné odpovědi, můžeme ohýbat světlo téměř v jakémkoli tvaru pomocí optických vláken nebo fotonických krystalů. Ačkoli to může vypadat uměle, je v zásadě ekvivalentní všem ostatním metodám, protože se řídí stejnými zákony fyziky.

Bylo ukázáno teoretické řešení Maxwellových rovnic, kde paprsky světla mohou cestovat po zakřivených trajektoriích i ve vakuu. Určitě nejsem žádný odborník v této oblasti, takže se nebudu snažit vysvětlit žádnou teorii, pamatuji si jen čtení o studii. Přečtěte si o tom zde: http://physics.aps.org/articles/v5/44 . Nebo zkuste googlovat „Airy Beam“

Souhlasím s 16BitTons. Uvádí, že světlo se pohybuje po přímce, ale vzhledem k velkému množství optických nástrojů, které dnes používáme, a to čočky, zrcadla, hranoly atd. jsme schopni změnit směr pohybu světla, odchýlit ho od jeho skutečné dráhy a tím jej „ohýbat“.Zde bych také navrhl, že stejně jako v geometrii víme, že kruh je kombinací několika malých přímek spojených dohromady, aby vytvořily konečný tvar. Zkuste vzít trojúhelník, čtverec, pětiúhelník ….., icosagon, … a jak jdete výš a výš, tvar má sklon stát se více kruhem. Pokud lze podobné experimentální uspořádání uspořádat tak, aby připravilo část křivky pomocí kombinace několika zrcadel, a poté dojde k dopadu světla z jednoho konce, pak můžeme být schopni vidět „ohyb“ světla z druhého konce.