Hur böjer man ljus?

Ljus färdas under allmänna förhållanden inte i raka linjer (även om det gör det i de som vi vanligtvis möter).

För det första är ljus verkligen en våg och kan bara ungefär ses som bestående av oberoende förökande strålar. Detta händer när ljusets våglängd är mycket mindre än de avstånd det sprids över, vilket vanligtvis är fallet för ljus (vars våglängd i det synliga området är $ 0,4 $ till $ 0,7 \, \ mu \ textrm {m} $) men är inte nödvändigtvis fallet t.ex. för radiovågor och när nanopartiklar är inblandade .

I detta kortvåglängdsgräns, vågutbredning viker för strålutbredning (vilket är ett speciellt, ungefärligt fall av den förra), och specifikt för Fermat ”s princip för matematisk beskrivning av ljus. Denna princip anger att ljusstrålar som börjar vid $ A $ och slutar med $ B $ följer vägen som minimerar restiden $$ S = \ int_A ^ B n (s) \ textrm {d} s , $$ där $ n (s) $ är det (eventuellt rumsberoende) brytningsindex längs vägen.

För ett homogent medium ger detta verkligen raka linjer för förökning. För ett plan gränssnitt mellan två olika media det ger Snells lag för brytning och det beskriver också reflektion. (Men eftersom den inte tar hänsyn till ljusets faktiska natur som ett oscillerande elektriskt fält kan denna beskrivning inte förutsäga överförings- eller reflektionskoefficienter .

Men , om mediet inte är homogent, kommer ljuset inte färdas på en rak linje, och för komplicerade inhomogeniteter kan banan vara motsvarande svår att beräkna. Se till exempel bildandet av mirages eller mer generellt atmosfärisk brytning . Omvänt, om man har en väg man vill att en given ljusstråle ska ta, är det möjligt att konstruera ett rumsberoende av brytningsindex som får ljuset att böja sig på det sättet. (Naturligtvis är huruvida ett sådant beroende är fysiskt rimligt en annan sak; om vägen böjer sig för kraftigt är det kanske inte möjligt att hitta material med korren dammande stort index och indexgradienter nödvändigt.)

Vi böjer ljus hela tiden – med linser.

Ljus böjer sig när man går från ett material till ett annat på grund av bevarande av momentum.

Snells lag beskriver hur ljus böjs.

Ljus böjs också när man reser förbi massiva objekt – titta på ”gravitationslinser” om du är intresserad.

Ljus kan effektivt böjas in i en parabolisk väg med hjälp av material som har förändrat brytningsindex. Detta görs i fiberoptik med ” graderat indexfiber .”

Kommentarer

• ledsen jag glömde att lägga till parabolisk väg till det! Jag har nu gjort det!
• Jag skulle ' inte säga att ljuset ändå (effektivt eller inte) böjs i de graderade indexfibrerna. Det ' är lika missvisande som att dra ljusstrålreflektion i en stegindexfiber. I en rakt gradvis index-enfunktionslampa sprider sig ljus längs en rak linje eftersom det bildar en stående våg i tvärriktningen, så det finns ingen fortplantning.
• @texnic: men i multimode graderat index fibrer som ljuset följer en sinusformad väg.

För att generalisera alla fina svar här kan vi böja ljus i nästan vilken form som helst med optiska fibrer eller fotoniska kristaller. Även om det kan se artificiellt ut, motsvarar det i princip alla andra metoder eftersom det styrs av samma fysiklagar.

Teoretiska lösningar på Maxwells ekvationer där ljusstrålar kan färdas längs böjda banor även i vakuum har visats. Jag är verkligen ingen expert inom detta område så jag försöker inte förklara någon teori, jag kommer bara ihåg att jag läste om studien. Du kan läsa om det här: http://physics.aps.org/articles/v5/44 . Eller prova att googla ”Airy Beam”

Jag godkänner 16BitTons. Det uppgav att ljuset rör sig i rak linje, men på grund av det enorma antalet optiska instrument vi använder idag, nämligen linser, speglar, prismer, etc. vi kan ändra riktningen för ljusets rörelse, avvika från dess verkliga väg och därmed ”böja” den.Här skulle jag också föreslå att vi som i geometri vet att cirkel är en kombination av ett antal små raka linjer förenade för att bilda den slutliga formen. Försök ta triangel, fyrkant, femkant …, ikosagon, … och när du går upp högre och högre tenderar formen att bli en cirkel mer. Om en liknande experimentell inställning kan ordnas för att förbereda en del av kurvan med en kombination av ett antal speglar, och sedan görs ljuset infallande från ena änden, då kanske vi kan se ljusets ”böjning” från andra änden.