Hvordan bøjer man lys?

Lys bevæger sig i almindelighed ikke i lige linjer (selvom det gør det i dem, vi normalt støder på).

For det første er lys virkelig en bølge og kan kun tilnærmelsesvis betragtes som bestående af uafhængigt formerende stråler. Dette sker, når lysets bølgelængde er meget mindre end de afstande, det spreder sig over, hvilket normalt er tilfældet for lys (hvis bølgelængde i det synlige område er $ 0,4 $ til $ 0,7 \, \ mu \ textrm {m} $) men er ikke nødvendigvis tilfældet f.eks til radiobølger og når nanopartikler er involveret .

I dette kort bølgelængdegrænse, bølgeforplantning giver plads til stråleforplantning (hvilket er et specielt, omtrentligt tilfælde af førstnævnte) og specifikt til Fermat “s princip til matematisk beskrivelse af lys. Dette princip siger, at lysstråler, der starter ved $ A $ og ender ved $ B $, følger stien, der minimerer rejsetiden $$ S = \ int_A ^ B n (s) \ textrm {d} s , $$ hvor $ n (s) $ er det (muligvis rumligt afhængige) brydningsindeks langs stien.

For et homogent medium giver dette faktisk lige linjer til formering. For en plan grænseflade mellem to forskellige medier giver det Snells lov til brydning og det beskriver også refleksion. (Men fordi den ikke tager højde for lysets faktiske natur som et oscillerende elektrisk felt, kan denne beskrivelse ikke forudsige transmission eller refleksionskoefficienter .

Men , hvis mediet ikke er homogent, vil lyset ikke rejser på en lige linje, og for komplicerede inhomogeniteter kan stien være tilsvarende vanskelig at beregne. Se eksempelvis dannelsen af mirages eller mere generelt atmosfærisk brydning . Omvendt, hvis man har en vej man ønsker en given lysstråle at tage, er det muligt at konstruere en rumlig afhængighed med brydningsindeks, der får lyset til at bøje sig på den måde. (Selvfølgelig, om en sådan afhængighed er fysisk rimelig, er en anden sag; hvis stien bøjer for skarpt, er det muligvis ikke muligt at finde materialer med korrene svær stort indeks og indeksforløb nødvendigt.)

Vi bøjer lys hele tiden – ved hjælp af linser.

Lys bøjer sig, når det går fra et materiale til et andet på grund af bevarelse af momentum.

Snells lov beskriver, hvordan lys bøjer.

Lys er også bøjet, når man rejser forbi massiv objekter – se på “gravitationslinser”, hvis du er interesseret.

Lys kan effektivt bøjes ind i en parabolsk vej ved hjælp af materialer, der har skiftende brydningsindeks. Dette gøres i fiberoptik ved hjælp af “ fiber med graderet indeks .”

Kommentarer

• undskyld jeg glemte at tilføje parabolsk sti til det! Det har jeg nu gjort!
• Jeg ville ikke ' ikke sige, at lys under alle omstændigheder (effektivt eller ej) er bøjet i de graderede indeksfibre. Det ' er så vildledende at tegne lysstrålerefleksion i en trinindeksfiber. I en single-mode fiber med gradueret indeks spredes lys langs en lige linje, fordi det danner en stående bølge i tværretningen, så der er ingen formering.
• @texnic: men i multimode graderet indeks fibre lyset inde følger en sinusformet sti.

For at generalisere alle de fine svar her kan vi bøj lys i næsten enhver form ved hjælp af optiske fibre eller fotoniske krystaller. Selvom det kan se kunstigt ud, svarer det grundlæggende til alle andre metoder, fordi det er underlagt de samme fysiske love.

Teoretiske løsninger på Maxwells ligninger, hvor lysstråler kan bevæge sig langs buede baner, selv i vakuum, er vist. Jeg er bestemt ingen ekspert på dette område, så jeg vil ikke forsøge at forklare nogen teori, jeg husker bare at have læst om undersøgelsen. Du kan læse om det her: http://physics.aps.org/articles/v5/44 . Eller prøv at google “Airy Beam”

Jeg accepterer 16BitTons. Dens erklærede, at lys bevæger sig i lige linje, men på grund af det enorme antal optiske instrumenter, vi bruger i dag, nemlig linser, spejle, prismer osv. vi er i stand til at ændre retning af lysets bevægelse, afvige det fra dets faktiske sti og dermed “bøje” det.Her vil jeg også foreslå, at vi som i geometri ved, at cirkel er en kombination af et antal små lige linjer, der er sammenføjet for at danne den endelige form. Prøv at tage trekant, firkant, femkant …, icosagon, … og når du går højere og højere op, har formen en tendens til at blive en cirkel mere. Hvis en lignende eksperimentel opsætning kan arrangeres til at forberede en del af kurven ved hjælp af en kombination af et antal spejle, og så bliver lyset lavet indfaldende fra den ene ende, så kan vi muligvis se lysets “bøjning” fra den anden ende.