Много пъти започвах този пост така: „Светлината е“. И стигах до там. Светлината е… каква? Бърза? Могъща? Опасна? Красива? Жизнено необходима? Светлината със сигурност е всичко това и много повече. Всъщност правилният въпрос за физиката не е „каква“, а „какво“ е светлината. Интересуваме се от характеристиките и свойствата ѝ, както и от явленията, свързани с взаимодействието ѝ с веществото. Оптиката е тъкмо това – наука, имаща за цел да впримчи светлината в черупка, отговаряйки на тези въпроси.

В оптиката има три основни направления, определени от основните модели за разпространение на светлината:

• Геометрична оптика – изучава светлината като геометрични лъчи
• Вълнова оптика – изучава светлината като вълни
• Квантова оптика – изучава светлината като частици

Може би тези модели биха изглеждали малко противоречащи си и взаимно изключващи се на човек, който не е внимавал в час по физика. Всъщност истината е, че те представят едно и също нещо – светлината – в различни приближения. Редът на подреждане не е случаен, той е от най-опростения (най-много неща се пренебрегват) към най-конкретния, освен това хронологичният ред на възникване е горе-долу същия.

Следва кратко описание на всеки модел.

Геометрична оптика

Моделът на геометричната оптика е по-скоро математически, отколкото физичен. Той приема, че светлината се движи по права линия, с постоянна скорост в една изотропна (хомогенна) среда. Тази права линия се нарича лъч и се приема, че е с безкрайно малък диаметър. Отклонения от праволинейното движение на светлината може да има само на границата между две среди, като всички те се свеждат до две явления – отражение и пречупване. Като прибавим към тях и поглъщането, ще получим всички процеси, до които се свеждат явленията, които могат да се наблюдават в приближението на геометричната оптика. Ще пиша по-подробно за отражението, пречупването и поглъщането в отделен пост.

Макар и доста опростен, в определени граници този модел наистина описва добре разпространението на светлината. Това, че геометричната оптика пренебрегва наистина много неща, е по-скоро скоро предимство, отколкото недостатък. Поради естеството си, геометричната оптика предоставя възможност за развитието на относително прост, но мощен математически апарат за изчисляване на сложни оптични системи, а именно матрична оптика. Всичко това важи само в областта на приложимост, разбира се.

Вълнова оптика

Не е случайно, че този модел е наричан още физична оптика – в него наистина има много повече физика, отколкото в предния модел. Правият лъч от геометричната оптика тук е „накъдрен“ и всъщност не е никакъв лъч, а вълна. Вълната пък освен посока и скорост има още много параметри, като например честота/период, дължина на вълната, амплитуда и поляризация. Сега вече, отчитайки тези характеристики, можем да описваме редица красиви явления, като дисперсия, дифракция и интерференция. Разбира се, има още много и все интересни процеси, много от които са от областта на нелинейната оптика. Надявам се постепенно да стигна до там и да разкажа за някои нелинейни ефекти, но преди това трябва да въведа по-прецизно някои от понятията, които сега така небрежно нахвърлям тук.

Квантова оптика

Колкото и хубав и физичен да е моделът на вълновата оптика, той не може да обясни някои явления като фотоефкета, например. Това налага въвеждането на модела на квантовата оптика, който постулира, че светлината се излъчва и поглъща на точно определени порции – фотони. Винаги се излъчват или поглъщат цели фотони, няма как да бъде излъчен половин фотон или да бъдат погълнати седем осми от фотона. Тук няма да се впускам в обяснения как точно моделът на квантовата оптика обяснява фотоефекта. Важно сега е да се подчертае, че фотоните са частици и това не е в разрез с вълновата теория, а напротив, допълва я. „Как точно?“ е въпрос, занимавал физиците години наред. Не съм подготвен да хвърля светлина по въпроса, вместо това само ще направя мъглата по-гъста като кажа, че светлината понякога се държи като сноп частици, а друг път като вълна. Това явление е известно още като дуализъм вълна-частица.

Области на приложимост

Всяка една от трите теории за светлината е валидна и дава добри резултати в своята област на приложимост, а извън нея или е напълно неприложима, или прилагането ѝ е неоправдано.

Геометричната оптика е валидна единствено, когато можем да пренебрегнем дължината на вълната и не се интересуваме от поляризацията на светлината. Да пренебрегнем дължината на вълната означава обектите, с които светлината взаимодейства по някакъв начин да са с много по-големи размери от дължината на вълната, която е от порядъка на 5.10^-7m. Повечето оптични елементи отговарят на това условие. Поляризацията заслужава повече внимание, затова ще я оставя настрана засега.

Там, където геометричната теория не работи, идва на помощ вълновата. Тя е валидна и там, където геометричната може да свърши работа, но не винаги е целесъобразно да се използва, понеже би усложнила сметките. Вълновата теория не може да даде резултати, когато става въпрос за единични фотони, взаимодействащи си с единични електрони. Квантовата оптика описва добре такива взаимодействия, но е непрактично да се прилага, когато е в сила вълновата оптика.

Вместо заключение

Опитах да дам известна представа за оптиката и за различните теории за светлината. Всяка от трите си има свое място и своя област на приложимост, където е полезна.

Вбъдеще възнамерявам да разкажа по-подробно за различни интересни явления в оптиката, като пътьом ще обяснявам някои по-важни понятия. Надявам се да успея да покажа на по-малко научен език по-интересната страна на оптиката.

Stay tuned!

Да, за този месец и половина успях да стигна до морето три пъти за по няколко дни. Събрах слънце, пясък, солена вода и морска пяна за цяла година.

Омайващо горещи и пронизително ледени моменти оцветиха последните седмици, опитвайки се да ме извадят от спокойното ми равновесие. За хубаво е. Сега чертая нови посоки и удебелявам с черно някои нахвърляни вече стари.

Този блог също променя малко посоката си. Ще започна да пиша за физика – за нещата, които ме интересуват, които искам да обясня, които искам да си изясня; за проблемите на физиката; за физиката в ежедневието и каквото още ми хрумне в последствие. Амбициозно. Да видим.

Целта не е да запаля някого по физиката. Поне не някой друг, освен себе си. За да следвам посоката си.

R.W. Boyd – Nonlinear Optics

Наскоро взех първата в живота си стипендия и веднага реших да я оползотворя, поръчвайки си тази чудесна книжка. Както сигурно се вижда от заглавието ѝ, представлява въведение в нелинейната оптика. Това, което не личи от пръв поглед, е, че всъщност книгата е много хубав учебник по нелинейна оптика. Достатъчно изчерпателна е, добре структурирана и, което е най-важното, написана е на език, изключително достъпен за средностатистическия физик (или дори кандидат за такъв). Знам, защото част от предишното издание беше в основата на дипломната ми работа върху фоторефрактивния ефект. Разбира се, тогава разполагах само с пиратската версия в DjVu формат. Дори от екран книгата беше приятна за четене, а сега предвкусвам удоволствието от разгръщането на хартиените страници на моя собствен екземпляр. :) Е, стипендията за два месеца замина за броени секунди, но тя нали е за това – да подпомага обучението. ;) От друга страна, пратката се очаква да пристигне малко след рождения ми ден, което означава, че вече съм си направил подарък и за него.

Richard Bach – Illusions

Повечето книги на Ричард Бах са мечтателски, красиви и вдъхновяващи. Всички са изпълнени с невероятни (или май всъщност доста вероятни) идеи за света. „Илюзии“ не само, че не прави изключение, а дори е по-пленяваща… Още с докосването на първата страница вече бях омагьосан.

За да те превземе напълно магията обаче, трябва да четеш книжката някъде навън, сред природата. Слънцето да гали ръцете ти, топлият повей на вятъра да играе с косите ти, а листата и тревата да шепнат песента си в ушите ти. Но внимавай, така могат неусетно да се изнижат часове…