¿Por qué las ondas no se borran entre sí al mirar una pared?

1) Primero separemos la percepción del color de la frecuencia. Las frecuencias individuales tienen una correspondencia de color, pero el color que percibe el ojo humano es otra historia .

2) La luz blanca, como la luz del sol, se compone de muchas frecuencias.

Cuando la onda que incide golpea una pared, puede ser a) reflejada b) absorbida c) dispersada de manera incoherente

Para que las ondas de luz se anulen o se dupliquen , los fotones tienen que estar, dentro del principio de incertidumbre, superpuestos en el tiempo y el espacio. A veces sucede, pero la probabilidad es pequeña. Esa es una de las razones por las que un rayo reflejado nunca puede tener la misma fuerza que su rayo original. Si la frecuencia es la misma, la probabilidad será mayor que si las frecuencias provienen de una paleta aleatoria.

Esta superposición se puede lograr con láseres, donde hay control de frecuencia y el haz es coherente, es decir, las fases se conservan en la reflexión. Un holograma es un ejemplo de superposición de luz de la misma frecuencia para crear una forma tridimensional mediante picos y depresiones.

Editar: de una pregunta desaparecida, vale la pena agregar el siguiente comentario:

Puede percibir todos los colores incluso si solo dos frecuencias brillan sobre un objeto. También en esta década, Land descubrió por primera vez un sistema de dos colores para proyectar todo el espectro de tonos con solo dos colores de luz proyectada (luego descubrió más específicamente que se podía lograr el mismo efecto usando bandas muy estrechas de 500 nm y 557 nm luz).

Hiciste dos preguntas. Primero, la luz:

Como se ha señalado, normalmente (hay excepciones) la pared de colores no emite nada. Tomemos el azul, por ejemplo. La luz blanca brilla en la pared. La luz blanca se compone de muchas frecuencias/longitudes de onda diferentes, que percibiríamos, si se rompieran con un prisma, como muchos colores diferentes. La pared azul absorbe todos estos colores excepto el azul. Así que no hay muchas longitudes de onda competidoras saliendo de la pared; la pintura azul permitió que la pared absorbiera todas las longitudes de onda de la luz en competencia y reflejara solo el azul. Otra forma de verlo es que la pared está cubierta con un filtro de absorción de "rechazo azul". Llegamos a ver el único color que la pared NO ES.

Pero puede haber muchas fuentes de luz en competencia, con orientaciones e intensidades aleatorias, iluminando la pared azul. Nuevamente, todo se absorbe excepto el azul. La luz azul que vemos está orientada y en fases al azar. No hay problema. La suma de los vectores de luz azul de cualquier punto dado seguirá sumando una onda resultante de frecuencia azul. Sí, si lo planeó muy, muy cuidadosamente (por ejemplo, utilizó equipos de polarización y láseres con desfases controlables) podría diseñar algunos efectos extraños. La luz normal (no láser) es mucho más aleatoria que eso.

En segundo lugar, la radio:

Las radios funcionan de la misma manera: reciben energía EM de muchas fuentes diferentes de orientación, polarización, intensidad y frecuencia aleatorias. La antena de radio actúa como un elemento de selección de banda, que elimina la gran mayoría de la radiación EM "basura". (Por ejemplo, la antena de radio de su automóvil está sintonizada para captar las ondas desde aproximadamente 0,54 MHz (extremo inferior de la banda de AM) hasta 108 MHz (extremo superior de la banda de FM). No es tan bueno para captar la radiación del horno de microondas a 2450 MHz, ni los 60 Hz de las líneas de CA que alimentan dicho horno uWave. Aún así, parte de esa basura EM llega a la antena. Las radios de automóviles modernas usan superheterodino para mezclar toda esta basura con una frecuencia generada internamente. El resultado es OTRO espectro de basura que se cambia de frecuencia.

A veces, ESPECIALMENTE con radios AM, se desvanecerá. A veces, esto se debe solo a los puntos ciegos debido al terreno y la flexión atmosférica. A veces es uno de los fenómenos que describiste: la interferencia de trayectos múltiples. La onda de radio que llega a su antena ha seguido dos o más caminos separados, con al menos uno de esos caminos más largo que el otro por múltiplos impares (1, 3, 5, ...) de la mitad de una longitud de onda. . Las ondas que golpean la antena se suman a cero y no escuchas nada.

Espero que eso ayude.

Me gustaría dividir esto en tres partes, y me apegaré a una descripción clásica, aunque la descripción de la mecánica cuántica es en cierto modo más fácil e igual de válida.

1. La superposición es el principio según el cual las amplitudes debidas a dos ondas que inciden en el mismo punto del espacio al mismo tiempo pueden sumarse ingenuamente, pero las ondas no se afectan entre sí .{#}

   Eso último es lo suficientemente importante como para escribir de nuevo: las ondas no se afectan entre sí . De hecho, pueden atravesarse unos a otros.

   Para los propósitos a continuación, podemos tratar cada onda como una onda plana y, por lo tanto, descrita por una amplitud$A$, un número de onda$\vec{k}$, y una fase$\phi$. El número de onda codifica tanto la dirección de propagación (por eso es un vector) como la frecuencia (en valor absoluto)$|k| = \frac{\omega}{c} = \frac{f}{2 \pi c}$.

   Esta descripción no es completa porque (a) la naturaleza plana es solo aproximada y (b) incluso teniendo en cuenta que la fase puede ser una función de la posición en el frente de onda; pero podemos descuidar con seguridad estos temas.

   Entonces, en cualquier punto dado en el espacio y el tiempo, tenemos un gran revoltijo de diferentes ondas, todas juntas.

   $$\sum_{\text{directions}} \int d\omega \int d\phi A(\vec{k},\phi) e^{i(\vec{k}\cdot\vec{x} - \omega t + \phi)}$$

2. Tu ojo es una cámara: tiene una pequeña abertura con un elemento de enfoque (lente) en la parte delantera y una superficie de proyección sensible a la luz (retina) en la parte posterior. Resuelve las ondas de luz entrantes de dos maneras.

   Primero, el cristalino enfoca la luz en un punto particular de la retina según su dirección. Eso hace que la suma sobre la dirección desaparezca, porque cada parche en la retina ve solo una dirección (bueno, un rango muy pequeño de direcciones). Si la lente no tiene la forma correcta, pierde algo de esto y la imagen se vuelve borrosa. Entonces necesitas gafas.

   En segundo lugar, los parches individuales de la retina son sensibles a la luz de diferentes rangos de frecuencia{*}. Entonces, para cada barra o cono, la integral sobre las frecuencias angulares$\omega$se reduce a límites bastante moderados (la visión humana se extiende más o menos una octava en el espectro electromagnético).

   Eso todavía nos deja con la suma de las fases, y voy a eludir esta parte del problema diciendo que son más o menos constantes en las pequeñas dimensiones de la lente del ojo y la escala de tiempo de su respuesta retiniana; si eso no te hace feliz, te remito al comentario de genneth:$\langle E^2 \rangle \neq \langle E \rangle^2$.

3. Las radios viven en el espacio de Fourier: {+} normalmente aceptan señales de un conjunto muy amplio de direcciones, por lo que no obtenemos el filtrado espacial que obtienes con el ojo. Sin embargo, la electrónica que los respalda selecciona solo una banda muy estrecha de frecuencias. En esencia, inspeccionando las señales entrantes en el espacio de Fourier. Y la señal que está buscando tiene una periodicidad adicional (ya sea amplitud en AM o frecuencia en FM) también en el rango audible, por lo que se realiza otra ronda de filtrado y generalmente tiene una señal restante dominante. Las señales intencionales tienen fases constantes, mientras que las señales no intencionales (es decir, ruido de fondo o ruido) tienen fases aleatorias y tienden a cancelarse.

{#} En otra respuesta, anna habla un poco sobre las condiciones bajo las cuales se rompe esta declaración clásica.

{*} El mecanismo por el cual los bastones y los conos responden a la luz en la mecánica cuántica inherente, los medios por los cuales esas señales se propagan al cerebro son inherentemente bioquímicos y el procesamiento posterior realizado por el cerebro es un tema enorme en sí mismo; todo lo cual está más allá del alcance de esta discusión.

{+} Radios tradicionales. Como el trabajo de AM/FM en el auto de tu abuelo (ya que todos somos personas del siglo XXI y tenemos un elegante widget combinado de reproductor de GPS y mp3 o algo así). La banda ultraancha como su estación base inalámbrica es otro asunto.

Las ondas interfieren entre sí como se espera, pero el patrón de interferencia alterna entre interferencia constructiva e interferencia destructiva de una manera tan rápida que su ojo no puede percibirlo.

Si desea poder ver la interferencia, tome un puntero láser y utilícelo para iluminar la pared. Debería ver un patrón llamado "moteado". (Es más fácil ver si el punto del haz es grande; use una lente para hacer esto si tiene una. Mover la cabeza de un lado a otro transversalmente también ayuda a que la mota sea obvia).

El patrón de motas proviene de la interferencia constructiva y destructiva de la luz que se refleja en diferentes partes de la pared. La razón por la que parece estático (si puede mantener el puntero láser lo suficientemente quieto) es porque el láser tiene una dispersión de frecuencias muy estrecha (y, para ser más técnicos, también tiene coherencia de fase transversal). Si tuviera que cambiar la longitud de onda del láser, el patrón cambiaría. Si tuviera que cambiar la longitud de onda de un lado a otro muy rápidamente, el patrón cambiaría muy rápidamente, su ojo lo promediaría y ya no podría ver el moteado.

Esto es lo que sucede con la luz de banda ancha: contiene un montón de frecuencias diferentes, por lo que la interferencia "promedia". Es por eso que (a menos que esté usando un láser) nunca lo ve.

En cuanto a las ondas de radio: sí, también interfieren. Es por eso que su microondas tiene un plato giratorio.

Si miras el dominio del tiempo y dibujas diferentes ondas con frecuencias muy diferentes, y también dibujas algunas ondas con un pico muy corto, puedes imaginar que la suma de estas ondas de pico bajo no interfiere tanto en el resultado final del pico más grande. ola.

en comunicaciones digitales, decimos que la relación señal/ruido en ese caso todavía es lo suficientemente grande como para que el receptor pueda decir cuál es el bit 1 o 0 porque aún no ha alcanzado la frontera de decisión del receptor (un término usado para mostrar de una manera más didáctica manera que el receptor es influenciado por el ruido como si estuviera en una frontera donde el ruido puede empujar la señal hacia el lado 0 o 1).

en la comunicación analógica, esa suma de ondas no arruina tanto la comunicación y aún puedes ver la televisión sin embargo verás el ruido en la pantalla, a diferencia de la comunicación digital donde solo necesita decidir el bit correcto para mostrar la imagen sin ruido

Me gustaría señalar que las paredes no emiten ninguna luz, sino que reflejan lo que brilla sobre ellas. También puede estar interesado en leer más sobre la reflexión difusa que intenta explicar de manera aproximada y no matemática parte de la física en el trabajo aquí. Si está buscando un tratamiento más matemático, esta conferencia de Buffalo sobre interferencia puede ayudarlo, especialmente. el bit de coherencia.

Algunas buenas respuestas rápidas aquí. Acabo de ver esto años después y sentí ganas de tomar una grieta. :PAGS

[parte de ondas de radio]

Hay tantas fuentes en las que podrían reflejarse y cancelarse o molestarse entre sí.

Sí, y eso es exactamente lo que hacen. Se pisan los dedos de los pies unos a otros y, en general, obedecen al principio de superposición.

¿No deberían funcionar las ondas de radio?

Sabes que lo hacen. (Es una guía útil, a veces.) Entonces, la pregunta es, ¿por qué todavía se superponen de una manera " coherente "? A continuación se utilizará una radio como ejemplo.

Idealmente, una antena será golpeada más fuerte con la ruta más directa desde la fuente, que con las rutas indirectas que rebotan alrededor de la geometría vecina. Según las frecuencias que esté sintonizando y el tiempo de retraso del vuelo para estas rutas indirectas, esto podría no ser un problema. Las ondas de radio de otras fuentes también podrían interferir. Al final, obtienes una señal más fuerte, superpuesta con señales tal vez algo apagadas y no tan fuertes, superpuestas con un ruido aleatorio más débil. (otra vez, idealmente)

Al menos, así es como se ven las cosas para la antena. La antena, al ser un transductor, cambia el problema para nosotros en este punto. A partir de la antena, comenzamos a lidiar con la corriente que pasa a través de los circuitos, que tiene sus propias contribuciones de ruido, pero también sus propios mecanismos para el procesamiento de señales, que producen lo que escuchas en la radio.

Básicamente, todas esas cosas complicadas de ondas de superposición que pensabas que estaban sucediendo en realidad están sucediendo. Es solo que se puede tratar.

[parte de percepción del color]

¿Por qué eso no sucede realmente? Cada vez que miro una pared, nunca veo que la pared "se cancele" de mi percepción.

Su ojo tiene una estructura de lente en la parte delantera, un líquido similar al agua en el medio y un mecanismo biotransductor en la parte posterior. (Me gusta pensar en la luz en términos de rayos/trayectorias de fotones cuando pienso en lentes).

La estructura de lentes en la parte delantera actúa como una especie de filtro. Todo el material de fondo está diseñado para pasar por alto la parte posterior de su ojo, por lo que solo los fotones que siguen un camino particular impactarán en "esa parte particular de la parte posterior de su ojo". (Nota: tal vez algunos caminos degenerados aquí). Esto corresponde a recibir un montón de fotones de un rayo percibido en el mundo.

Hay diferentes tipos de transductores en la parte posterior del ojo y tienen diferentes respuestas espectrales. El juego aquí son las estadísticas sobre los tipos de fotones recibidos y el funcionamiento de sus transductores en ese lugar. (Véase, por ejemplo, daltonismo). De todos modos, usted está biológicamente conectado (desde el cerebro hasta el ojo) para descubrir alguna percepción de luz/color de este grupo de fotones en ese punto en la parte posterior de su ojo. (Y tienes dos ojos, mira: visión binocular).

Entonces, nuevamente, todas esas cosas complicadas están sucediendo. En este caso, eres tú quien ha evolucionado para hacerle frente.