¿No es toda la luz polarizada?

El único requisito para la luz es que el campo eléctrico debe ser perpendicular al campo magnético en cualquier punto del tiempo o del espacio. Esta suposición surge naturalmente de las ecuaciones de Maxwell.

La forma más intuitiva de pensar en la luz es con la imagen que incluyeste de la onda de luz. Sin embargo, debe imaginar un número infinito de ondas de luz como la que se muestra en la imagen que suceden en todas partes simultáneamente. Para simplificar, simplemente multiplique su imagen por varias veces e imagine varias ondas de luz que viajan paralelas entre sí. Si el campo eléctrico de todas las ondas de luz está orientado en la misma dirección, obtienes algo que parece luz polarizada linealmente.

Sin embargo, dado que la luz es una onda, puede sumar los campos eléctrico y magnético de todas estas ondas. Puede crear una luz circular o elíptica mediante el eje de cambio de fase del campo eléctrico.

Cuando los físicos hablan de luz "no polarizada", quieren decir que la luz está demasiado desorganizada para constituirse usando la palabra polarización. Imagine la misma imagen de varias ondas de luz viajando en paralelo, pero con la dirección del campo eléctrico para cada onda orientada al azar. La suma de todos los campos eléctricos de todas estas ondas tendría una dirección, pero cambiaría muy rápidamente debido a cambios aleatorios en la emisión de la fuente de luz.

La luz incoherente es producida por la mayoría de las cosas cotidianas, ya que la luz es producida por las oscilaciones de los átomos que hacen las cosas de forma independiente. La mayor parte de la luz natural es en su mayor parte no polarizada o incoherente, excepto cuando se refleja en un material con una incidencia no normal (ver: ecuaciones de Fresnel). La luz polarizada se crea comúnmente con láseres o pantallas LCD o mediante el uso de incidencia oblicua en un medio (ver Ángulo de Brewster).

Wikipedia lo describe bien:

"La radiación es producida independientemente por un gran número de átomos o moléculas cuyas emisiones no están correlacionadas y generalmente tienen polarizaciones aleatorias. En este caso se dice que la luz no está polarizada. Este término es algo inexacto, ya que en cualquier instante de tiempo en un lugar hay es una dirección definida para los campos eléctricos y magnéticos, sin embargo, implica que la polarización cambia tan rápido en el tiempo que no se medirá ni será relevante para el resultado de un experimento".

http://en.wikipedia.org/wiki/Polarization_(waves)#Unpolarized_and_parcially_polarized_light

El libro es impreciso porque hay otros tipos de luz polarizada. Ahora, considere un punto en la trayectoria de la onda, como el punto verde en la animación que mencionó. En esa imagen, la luz está polarizada linealmente, por lo que el campo eléctrico dibuja una línea en la ubicación del punto. Sin embargo, también hay luz polarizada circularmente donde el campo eléctrico dibuja un círculo como en esta imagen.

Entonces, se dice que la luz está polarizada si el campo eléctrico en un punto dado dibuja una línea, un círculo o, en general, una elipse. La luz no polarizada se produce cuando se superponen muchas de estas ondas, lo que da como resultado un campo eléctrico que oscila aleatoriamente en todas las direcciones.

Esto ocurre cuando la fuente es un conjunto de electrones que oscilan en direcciones aleatorias, como en un cable caliente.

En condiciones normales, cada fotón se puede considerar como una entidad puramente coherente con una polarización definida en todos los puntos del espacio de momento (número de onda). Discuto esta noción con más profundidad en varias otras respuestas, en particular esta aquí , pero la idea esencial es esta: los fotones solitarios se propagan siguiendo las ecuaciones de Maxwell (que son más o menos la ecuación de Dirac para una partícula de espín 1 sin masa), por lo que un cuántico puro El estado de un fotón se especifica mediante los pesos de superposición cuántica compleja de los dos estados propios de polarización circular en cada valor del vector de onda.$\vec{k}$en el espacio de momento.

Entonces, en este nivel de un fotón, sí, dejando de lado los enredos complicados, cada fotón interfiere solo consigo mismo (la famosa declaración casi correcta de Dirac) y tiene una polarización definida, aunque muy complicada (diferentes pesos de superposición en un amplio espectro de frecuencias) .

Sin embargo, la mayoría de las fuentes naturales generan estas entidades fundamentalmente coherentes en una amplia variedad de diferentes estados cuánticos puros. Por lo tanto, la mayor parte de la luz se encuentra en un estado mixto (consulte también los artículos de Wikipedia sobre la matriz de densidad y el experimento mental de Wigner's Friend).): una mezcla probabilística clásica de estados de un fotón puro. Esta es la forma más fácil de pensar en la luz despolarizada, cuya descripción clásica se vuelve muy complicada (Born y Wolf dedican un capítulo completo a ella, o al menos a la descripción clásica de la noción altamente relacionada de la luz parcialmente coherente). La descripción cuántica completa que involucra el entrelazamiento también es muy espinosa, pero la noción intuitiva básica del estado mixto es una forma mucho más fácil que la descripción clásica para comprender la despolarización.

Algunas respuestas al comentario del usuario Phonon:

"¡ Toma muy interesante! [ Esta publicación (Physics SE Question "Diferencia entre espín y polarización de un fotón")] también puede interesarle. (Todavía le falta una respuesta directa, diría yo). – "

Creo que esa pregunta muestra que la "polarización", como todas las palabras en inglés natural (o alemán, mandarín, cualquier idioma natural), puede volverse un poco vaga y, por lo tanto, la necesidad de codificar las ideas propias en lenguaje matemático. La mejor definición de polarización que se me ocurre es:

1. Polarización es una palabra que, en su sentido más estricto, se aplica a estados cuánticos puros ; se aplica más fácilmente a estados de Fock de un fotón o estados coherentes puros cuánticos;

2. Uno especifica la polarización de un estado de Fock de un fotón definiendo los pesos de superposición compleja de los estados propios de momento angular izquierdo y derecho en todos y cada uno de los puntos.$\vec{k}$en el espacio de momento. Entonces, la polarización, en general, es una función de la forma$\mathbb{R}^3\to\mathbb{C}\times \mathbb{C}$, es decir, dos funciones de valores complejos del espacio de momento$\mathbb{R}^3$. Tenga en cuenta que, en general, no estamos hablando de un campo monocromático; Los campos monocromáticos parecen capas esféricas (definidas por$c|\vec{k}| = \omega$) en el espacio de cantidad de movimiento. Ahora;

3. Podemos ampliar nuestra definición de polarización a luz parcialmente polarizada pensando en mezclas clásicas de estados cuánticos puros. Así que ahora nuestro estado parcialmente polarizado se convierte en una función de matriz de densidad $\mathbb{R}^3\to \mathcal{M}(2,\,\mathbb{C})$asignando un$2\times2$Matriz de densidad hermítica que contiene los parámetros de Stokes para cada$\vec{k}\in\mathbb{R}^3$espacio de momento.

Ahora bien, la palabra "girar" tiene dos significados relacionados. El primero es el estado de espín de un fotón que se define en términos de los pesos de superposición de las funciones propias de los observables de espín. Si considera el giro observable para la componente del momento angular en la dirección de$\vec{k}$en todos los puntos en el espacio de momento y escribe el estado del fotón como superposiciones de los estados propios de este observable, entonces de hecho estás calculando precisamente la polarización como la he definido anteriormente. Entonces, en este sentido, el giro y la polarización son prácticamente sinónimos, o al menos esa es mi comprensión del uso del inglés (lenguaje natural).

El segundo significado de la palabra "espín" es como discute la respuesta de Lionel Brit a esa pregunta : cuando decimos que el fotón tiene "espín 1", simplemente estamos diciendo que su estado (una solución de las ecuaciones de Maxwell) se transforma de cierta manera bajo la acción del grupo Lorentz. "Spin 1" nombra cierta representación del grupo Lorentz.

La imagen de la onda que estás mirando ya está polarizada y es luz polarizada plana. Pero este no es el caso general, las ondas emitidas por cualquier molécula pueden estar polarizadas linealmente, pero una fuente de luz ordinaria contiene una gran cantidad de moléculas con orientaciones aleatorias, por lo que la luz emitida es una mezcla aleatoria de ondas polarizadas linealmente en todas las direcciones transversales posibles. por lo que la luz de una fuente de luz ordinaria no está polarizada.

Por lo tanto, toda la luz no está polarizada, necesita un filtro para crear luz polarizada a partir de la luz de fuentes ordinarias. Además, como dijo @Asaf, también hay otros tipos de polarización, no solo la polarización lineal. http://en.m.wikipedia.org/wiki/Polarization_(ondas)

Ver Wikipedia "Luz no polarizada y parcialmente polarizada". esta escrito ahi

"Las fuentes más comunes de luz visible, incluidas la radiación térmica (cuerpo negro) y la fluorescencia (pero no los láseres), producen una luz descrita como "incoherente". La radiación se produce de forma independiente por un gran número de átomos o moléculas cuyas emisiones no están correlacionadas y generalmente polarizaciones aleatorias. En este caso se dice que la luz no está polarizada".

(Sobre la línea rosa, muestra de hecho la dirección de propagación, pero el texto está truncado).

Buena suerte,

Sofía