QF02. Dyfrakcja część 1

Zakładałem szybko przejść przez pierwszy i podstawowy eksperyment z dwoma szczelinami, który doprowadził do powstania mechaniki kwantowej. Komentarze, świetne pytania i celne uwagi przy poprzedniej notce przekonały mnie, że tak szybko się nie da. Postanowiłem więc przyjrzeć światłu bliżej, a dopiero później dokończyć eksperyment Younga z poprzedniej notki. Będę do celu zmierzał powoli. Na razie jeszcze nadal bez skomplikowanych wzorów, do których przejdę stopniowo, chociaż wszelkie dalsze uwagi (szczególnie konstruktywne) mile widziane.

Zacznę od kilku zdjęć światła, które nieco przybliżą jego naturę. Stanisław Heller zwrócił uwagę, że światła z boku nie widać i rzeczywiście. Na poniższym zdjęciu wykonanym w studyjnych warunkach, gdzie powietrze jest czyste widać wyraźnie tylko światło prześwitujące przez drzwi oraz to, które pojawia się w zetknięciu z podłogą.

A co widzimy patrząc w szpary między drzwiami - światło w czystej postaci czy też światło zetknięte z ośrodkiem? Określenie natężenie światła (gęstość strumienia świetlnego padającego na daną powierzchnię) sugeruje, że natężenie światła jest tylko tam, gdzie jest jakaś powierzchnia.

Pojawia się pytanie, co się stanie, gdy światło przepuścimy przez jakiś ośrodek, np. jakieś drobne zanieczyszczenia w powietrzu. Poniżej zdjęcie lasu, który jak sądzę miał na myśli Tichy, na którym z jakiegoś powodu widać promienie światła z boku.

Jeszcze lepszym zdjęciem światła widzianego z boku jest fotografia światła przepuszczonego przez mgłę. Można też zwrócić uwagę na odbicie w wodzie.

Eine zwrócił mi uwagę, że powinienem jeszcze opisać zjawisko dyfrakcji, a Wiedźma Margo naciska na wyjaśnienie opublikowanych przez siebie zdjęć światła przepuszczonego przez ajurwedyjskie okulary.

Żeby było ciekawiej, okulary te złożone są z małych otworków - jakże blisko jesteśmy doświadczeń, które będziemy analizować.

Po przepuszczeniu światła przez te okulary, pojawiają się podobno fraktalne wzory, takie jak poniżej:

A to z kolei, przypomina mi fraktale generowane przez program symulujący dyfrakcję Fraunhoffera, na otworach ograniczonych wiązkę światła złożonych punktów, prostokątów, trójkątów, wielokątów foremnych. Symulacja światła przepuszczonego przez punkty umieszczone na wierzchołkach pięciokąta foremnego wygląda tak:

Symulacja światła przepuszczonego przez punkty umieszczone na wierzchołkach siedmiokąta foremnego wygląda tak:

Symulacja światła przepuszczonego przez punkty umieszczone na wierzchołkach trzynastokąta foremnego wygląda tak:

A czym jest dyfrakcja - ugięciem światła przechodzącego w pobliżu przeszkody, np. przez wąskie szczeliny lub w pobliżu bardzo cienkiego obiektu tak jak poniżej (po prawej dyfrakcja światła na główce od szpilki):

Poniżej dyfrakcja na jednej szczelinie w zależności od szerokości:

W poprzedniej notce napisałem, że Newton wierzył, iż światło ma korpuskularną naturę, a ugięcie światła jest spowodowane przyciąganiem krawędzi. Być może ucieszy Wiedźmę Margo wspominającej o eterze fakt, że w książce Jerzego Kierula omawiającej szczegółowo życie i zainteresowania Newtona (matematyka, fizyka, alchemia i teologia) jest taki fragment:

w Hipotezie z 1675 r. Newton objaśniał zachowanie światła wpływem wszechobecnego eteru, wypełniającego wszelkie szczeliny i pory między innymi cząstkami materii.

Waldemar.M, również piszący o dyfrakcji, bo wszak blogi mają naturę fraktalną ;) byłby zapewne ucieszony, gdyby przyjęła się teoria Newtona:

W 1706 r., w 29. Query do Optyki Newton postawił wprost pytanie, czy światło nie składa się z cząstek. Nigdy jednak nie sformułował tej hipotezy jako jedynej możliwej do przyjęcia.

A wracając do głównego tematu dyfrakcji, więcej na ten temat choćby tutaj: wwwnt.if.pwr.wroc.pl/kwazar/mtk2/fizycy/126118/default.htm. Polecam też pobawić się poleconym przez Quaestio programem: http://www.falstad.com/wave2d/ za pomocą którego wygenerowałem ten oto obrazek symulujący dyfrakcję światła przechodzącego przez jedną szczelinę:

I jeszcze ciekawie wyglądający Absorption hologram, którego definicję znalazłem w photonics.com: "A hologram formed when the light of the illuminating beam is absorbed in correspondence with the recording exposure." (nie podejmuję się tłumaczenia):