Общие представления о свете

Существует теория (корпускулярно-волновой дуализм), согласно которой свет является одновременно и частицей[1] (фотоном), и волной. Для объяснения одних явлений проще использовать представление о свете как о частице, для других – как о волне. Или, говоря иначе, свет может проявлять как волновые свойства (вести себя как волна), так и свойства частиц(ы). В любом случае в науке мы имеем дело лишь с математическими моделями, допущениями и гипотезами, которые позволяют описывать, понимать, связывать между собой те или иные явления, выявлять взаимосвязи различных процессов и, что особенно важно, – успешно прогнозировать поведение сложных систем, предвидеть результаты экспериментов, выдвигать предположения о процессах и ходе их протекания в труднодостижимых или недостижимых на поверхности Земли условиях (например, за пределами атмосферы, на больших глубинах и т.п.).

В школе нас учили, что свет – это поперечные электромагнитные волны, излучаемые в определенном интервале частот. Электромагнитными они являются по сути, то есть содержат две компоненты: электрическую и магнитную. При взаимодействии света с веществом переменное электрическое поле воздействует на отрицательно заряженные электроны атомов и молекул этого вещества, в то время как действие со стороны магнитного поля на заряженные частицы незначительно. Поэтому в процессах распространения света в веществе главную роль играет вектор напряженности электрического поля: 

Кстати, и глаз человека, как было выяснено, способен воспринимать и различать характеристики лишь электрической составляющей. Далее мы будем рассматривать только её.

Световая волна характеризуется длиной волны[2] (частотой), амплитудой и фазой. Рассмотрим эти понятия с помощью иллюстрации 1.

На иллюстрации 1 темно-красным цветом изображена синусоида, то есть график математической функции «синус», с помощью которой могут быть описаны световые волны. 

Длина волны λ – это расстояние между двумя одинаково колеблющимися точками или расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебания. На иллюстрации 1 длина волны обозначена три раза в разных местах и всё это одна и та же величина.

Частота ν («ню») световой волны связана с длиной волны λ («лямбда») соотношением:

где с – скорость света в вакууме.

Буквой А на иллюстрации 1 обозначена амплитуда волны. Амплитуда волны не является энергетической характеристикой, но эквивалентна[3], связана с энергией световой волны.

Понятие «фаза волны» подобно по смыслу понятию «фаза Луны» в том смысле, что это некоторое состояние волны, в котором она пребывает на момент ее фиксации наблюдателем. И если мы смотрим на синусоиду, то каждая точка этой функции потенциально является её фазой. Для прикладной науки фаза волны как таковая не имеет смысловой нагрузки в отличие от разности фаз (например, двух волн) и их распределения на поверхности. Например, если две взаимодействующие волны совпали по фазе (иначе говоря, они синфазны), то они друга друг усилят, а если находятся в противофазе – погасят, либо произойдет событие, в котором, как говорится, «победит сильнейший» (с энергетическими потерями «выживет» та волна, амплитуда которой больше). 

Что умеет различать наш мозг? Все три названные характеристики: и длину волны как цвет, и амплитуду как яркость/световой поток источника излучения, и фазу как распознавание глубины объектов[4].

Следующая важная характеристика световой волны – это скорость её распространения в среде (фазовая скорость). Соотношение скоростей распространения световой волны в вакууме с и в реальной среде ν находит свое выражение в физической величине, называемой абсолютным показателем преломления:

Из-за того, что получить глубокий вакуум даже в лабораторных условиях сложно и очень дорого, на практике используют физическую величину, называемую относительным показателем преломления (или просто показателем преломления), и все измерения производят относительно воздуха, а не вакуума. Табличные значения показателей преломления различных веществ, приводимые в справочниках, также являются относительными показателями преломления.

Чем больше показатель преломления вещества (относительно воздуха), тем медленнее распространяется в нем световая волна. Среда (вещество) как бы оказывает свету сопротивление, создает препятствие. Процесс распространения света в веществе можно сравнить со случаем, когда мы передвигаемся по пояс в воде. Среда с бо́льшим показателем преломления называется оптически более плотной.

Ещё одной примечательной особенностью в поведении света при его распространении в среде является выбор им из множества путей между двумя точками того пути, который потребует наименьшего времени[5] (или, что то же самое, наименьшую оптическую длину пути). Именно по этой причине мы наблюдаем явления преломления света на границе раздела сред, миражи и другие оптические явления. 

[1] Корпускула в переводе означает частичка, частица (от лат. corpusculum, уменьш. лат. corpus).

[2] Длина волны и частота не одно и то же, но величины эквивалентные друг другу. 

[3] Эквивале́нт (от позднелат. aequivalens — «равнозначный», «равноценный», «равносильный») — нечто равноценное или соответствующее в каком-либо отношении чему-либо, заменяющее его или служащее его выражением.

[4] На принципе записи распределения фаз световых волн основана голография. Фотография же – это запись распределения интенсивности.

[2] Принцип Ферма́.