Jak opisać własności światła?

Pytanie

Pyta Michał

Mam pytanie dotyczące spełniania zasady Huygensa w przypadku światła. Jak wiemy światło posiada naturę falową i ulega zjawiskom wynikających z wyżej wymienionej zasady np. dyfrakcji. Mówi się też natomiast o prostoliniowym rozchodzeniu się światła, co z zasadą Huygensa nieco się komplikuje – weźmy na przykład taką wiązkę lasera w próżni, która porusza się prosto i człowiek stojący z boku nie może jej zobaczyć; czy to nie kłóci się z ww. zasadą, według której to fale elektromagnetyczne tworzące laser powinny rozprzestrzeniać się w każdym kierunku jako nowe fale kuliste?

Odpowiedź

Odpowiada Piotr Wasylczyk

W wielu podręcznikach i tekstach popularno naukowych można przeczytać o falowo-korpuskularnej naturze światła. Pozwala to opisać różne zjawiska, ale często prowadzi do kłopotów, jeśli chcemy pójść nieco dalej. Proponuję przyjąć, że światło zachowuje się jak… światło. Na poziomie zjawisk dyfrakcji czy interferencji można rozwiązać równania Maxwella dla pola elektrycznego i magnetycznego z warunkami zadanymi przez ośrodek (współczynnik załamania, absorpcja). To pozwala dobrze opisać, jak rozchodzi się wiązka lasera w powietrzu, dlaczego nie ma fal propagujących się na boki itd. W domenie zjawisk kwantowych same równania Maxwella nie wystarczą – potrzebne jest jeszcze uwzględnienie efektów związanych z niepodzielnością porcji energii, które możemy dostarczać i odbierać z pola elektromagnetycznego. Te niepodzielne porcje energii to fotony – z ich naturą wiąże się cała masa nieporozumień, które próbuję wyjaśniać w innych odpowiedziach. Warto pamiętać, że kwantowe rozważania o naturze światła nie „unieważniają” równań Maxwella – nadal pożytecznie jest myśleć o rozkładach pola elektromagnetycznego w czasie i przestrzeni (modach promieniowania).