Si la luz se propaga como ondas, ¿por qué no puedo ver a la vuelta de las esquinas?

La curvatura de las ondas alrededor de las esquinas se conoce como "difracción" y su escala de longitud natural es la longitud de onda de la onda difractada. Entonces, si desea bloquear el sonido de un altavoz que reproduce una C media, con una longitud de onda en el aire de aproximadamente un metro, entonces necesita un obstáculo que tenga muchos metros de ancho. (Un edificio tiene un buen tamaño.) Pero para bloquear la luz visible, con una longitud de onda submicrónica, un objeto de escala milimétrica es un obstáculo lo suficientemente grande.

La luz que viaja en línea recta es una aproximación que funciona muy bien la mayor parte del tiempo. El caso más común en el que falla es cuando la luz viaja a través de un pequeño agujero o rendija. Luego se dobla un poco. Esto se llama difracción.

Puede ver un ejemplo de curvatura de la luz cuando mantiene el dedo índice y el pulgar juntos mientras mira entre ellos el monitor de su computadora. Cuando se separan, la luz va directamente del monitor al ojo. Cuando casi se tocan, una protuberancia oscura parece crecer de tus dedos para llenar el espacio. Lo que realmente sucede es que la luz que se dirigía hacia tu ojo se desvía.

Ocurre todo el tiempo, pero la mayoría de las veces, el efecto es demasiado pequeño para notarlo. A veces importa cuando las personas quieren ser muy precisas acerca de dónde va la luz.

Un lugar donde esto importa es en los lentes de las cámaras. Están diseñados para llevar toda la luz que proviene de un punto de un objeto a un punto del sensor. Si no llegan a un punto perfecto, la imagen es borrosa.

Imagen de Aprobar mis exámenes

Una lente es un agujero de alfiler gigante. Un agujero de alfiler grande provoca menos flexión que un agujero de alfiler pequeño. Pero para una lente realmente buena, la difracción es la principal razón por la que el enfoque no es perfecto.

Otro lugar donde puede importar es en un rayo láser. La gente puede querer un rayo láser perfectamente cilíndrico que nunca se extienda. La mayoría de los rayos están bastante cerca, pero se extienden a lo largo de la distancia. Los rayos siguen una trayectoria hiperbólica casi recta. Este tipo de haz se llama gaussiano. Aquí se ve un boceto de los frentes de onda curvos. Los rayos muestran la dirección en que viajan los frentes de onda. Los rayos son siempre perpendiculares a los frentes de onda. La propagación suele ser una fracción de grado.

Imagen del artículo de RP Photonics sobre Gaussian Beams

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La borrosidad en los planos desenfocados de una cámara no se debe a la difracción y está igualmente bien descrita por el modelo de partículas de luz.

Buen punto. La imagen no ilustra la difracción. Quizás esto sea confuso. Ilustra que si los rayos de un punto de un objeto no inciden en el mismo punto del sensor, la imagen será borrosa. La película o el sensor a la distancia incorrecta es una forma de que esto suceda. Las aberraciones de la lente son otra forma de obtener rayos que no se enfocan en un punto.

Incluso si estos no están presentes, la difracción impedirá un enfoque perfecto.

Una lente provoca la flexión principalmente por refracción, y nuevamente un modelo de partículas describe esto exactamente.

La refracción se deriva típicamente del modelo de onda.

El diseño de la lente generalmente se basa en el trazado de rayos y la refracción, y generalmente ignora la difracción. El trazado de rayos se calcula a partir de los radios de superficie y los índices de refracción de las lentes. El efecto de la difracción generalmente se calcula por separado a partir de los diámetros de las lentes. La difracción normalmente se trata como una restricción. No tiene sentido diseñar una lente donde las aberraciones sean más pequeñas que el círculo borroso de difracción.

La difracción se puede calcular a partir del modelo de partículas utilizando el principio de incertidumbre. Esto se describe más fácilmente con una hendidura. Si una partícula de luz pasa a través de una rendija, la incertidumbre de la componente x de su posición es el ancho de la rendija. Esto crea una incertidumbre en la componente x de su cantidad de movimiento. Esto significa que la partícula no se puede apuntar con precisión al punto predicho a partir del trazado de rayos. La difracción a través de una apertura circular es similar, pero los cálculos son 2-D.

El cambio de tamaño de un haz de luz enfocado a medida que se propaga se debe a los frentes de onda curvos, y esto en su mayoría no es difracción. La difracción es el hecho de que los frentes de onda de ancho finito no pueden evitar cierta dispersión incluso cuando están lo más colimados posible.

Hay más en un haz gaussiano que los frentes de onda curvos. La sección transversal del haz tiene un perfil de intensidad gaussiana. Es más brillante en el centro, desvaneciéndose sin alcanzar$0$. Esto no es exactamente como pasar a través de un agujero de alfiler, pero la falta de uniformidad es la causa de los frentes de onda curvos. Esto se describe correctamente como difracción.

La imagen ilustra lo que sucede cuando un haz se enfoca con una lente. Dada una buena lente, la difracción determina el tamaño del punto y, por lo tanto, cuánto se calienta ese punto. Pero exactamente lo mismo determina el ángulo en el que se propaga un haz colimado. La imagen sería la misma excepto por una cintura de haz más grande y un ángulo de divergencia menos profundo. De cualquier manera, los rayos son hiperbólicos.

Por otro lado, hay un perfil de intensidad con una distribución de funciones de Bessel que está perfectamente colimada. Esto se puede lograr aproximadamente pasando un haz de Gauss a través de una lente axicon . Esto tiene aplicaciones en operaciones de perforación.

TL; DR: luz visible, no, pero ondas de radio, sí.

Las ondas electromagnéticas se doblan alrededor de las esquinas, si su longitud de onda es comparable al tamaño del objeto (como un edificio, por ejemplo). La luz visible con una longitud de onda típica de unos pocos cientos de nanómetros obviamente no es un buen candidato, pero para las ondas de radio , que pueden tener longitudes de onda que van desde centímetros hasta muchos kilómetros, esta es una situación normal. Es por eso que podemos usar un transmisor de radio dentro de una habitación. Incluso se sabe que longitudes de onda excepcionalmente largas viajan alrededor de la Tierra (ver Frecuencia extremadamente baja y Onda larga ).

Ves luz en las esquinas . Enciende una luz y camina a la vuelta de la esquina, ¿ves luz? Por supuesto que sí, porque la luz se refleja en las superficies. Lo más probable es que no pueda resolver bien la fuente de la luz, si es que lo hace, debido a la interferencia de la luz que se refleja en la miríada de imperfecciones en las superficies de la pared que está mirando. Pero si los suaviza y hace un buen espejo, notará que puede resolver muchos detalles a la vuelta de la esquina.

Si la luz se propaga como ondas, ¿por qué no puedo ver a la vuelta de las esquinas?

Puede. Además, puedes ver la luz difractándose exactamente como una onda de sonido. La diferencia está en la escala.

Pruebe el siguiente experimento. Tome un cuchillo limpio, coloque un pequeño LED brillante (por ejemplo, la linterna de la cámara de un teléfono en modo linterna) detrás de este cuchillo. Apague la luz de la habitación para observar el filo del cuchillo en la oscuridad (solo perturbado por el LED). Verás que el borde brilla. A medida que mueva lentamente el LED más cerca del borde, verá que el borde brilla más hasta que en algún punto pueda ver el LED.

Lo que has visto en este experimento es la luz del LED difractándose en el borde del cuchillo. Parece como si el propio borde emitiera esta luz. De manera similar, escucharía a alguien gritar desde detrás de un edificio solitario: como si el sonido se emitiera desde el borde del edificio, no desde atrás.

Otras respuestas ya mencionan que la luz visible tiene una longitud de onda muy corta, por lo que normalmente no vemos alrededor de las esquinas como escuchamos sonidos alrededor de las esquinas. ¡Y eso es algo bueno, de lo contrario veríamos un mundo bastante desordenado a nuestro alrededor!

Pero en realidad podemos ver alrededor de las esquinas y mirar dentro de los objetos, si usamos femto-fotografía , una técnica que puede " crear videos en cámara lenta de luz en movimiento ". Recomiendo a todos que vean esta charla TED increíble: Imágenes a un billón de fotogramas por segundo . Se las arreglaron para publicar Nature Communications, Recovering tridimensional shape around a corner using ultrafast time-of-flight image , y Nature incluso produjo una genial animación, How to see around corners . La técnica es tan sorprendente que algunas imágenes presentan ondas de difracción en la dirección equivocada debido a la distorsión del tiempo.

Otra forma muy, muy interesante, pero sobre todo teórica, de ver alrededor de los objetos es el espejo de conjugación de fase (ver también este y este artículo en Scientific American), una técnica que se basa en los extraños efectos de la óptica no lineal para producir una onda conjugada que compensa automáticamente la distorsión de fase y el enfoque, pero que yo sepa, hasta ahora solo se han construido espejos muy pequeños y de frecuencia limitada.

La luz no interactúa consigo misma , por la electrodinámica cuántica sabemos que los fotones no pueden acoplarse entre sí ya que son bosones sin masa. Lo que sucede en un experimento de difracción de doble rendija es que el fotón interactúa consigo mismo, o mejor, las posibles rutas a través de las rendijas interfieren entre sí, como lo demuestran los experimentos en los que la fuente de luz es tan débil que solo una partícula cruza el rendijas a la vez, y aún persiste el patrón de difracción (ver aquí y aquí ).

Toda la luz se doblará (difractará) alrededor de las esquinas y los obstáculos.

La cantidad que dobla, depende de su longitud de onda (o frecuencia). Las longitudes de onda más largas (=frecuencia más baja) difractan mucho más, las longitudes de onda más cortas (=frecuencia más alta) difractan mucho menos.

Entonces, por ejemplo, los rayos X se difractarían mucho menos alrededor de un obstáculo que la luz visible, pero aún se difractarán ; de hecho, ese es un método utilizado para probar la estructura de los cristales y las moléculas grandes, ponerlos en el camino de algunos rayos X. y mira los patrones de difracción que crea.

El problema que tiene es que la luz visible es una banda bastante pequeña de longitudes de onda, que son bastante cortas en comparación con las dimensiones de los objetos cotidianos. Por lo tanto, no verá grandes cantidades de flexión, como sugiere su pregunta, o un gran desenfoque en cada esquina.

Si hace lo mismo con longitudes de onda más largas, como ondas de radio o WiFi, sí, se doblan muy bien en las esquinas. De hecho, también pueden doblarse alrededor de la curvatura de la tierra.

Eso es porque:

• longitudes de onda de luz visible: aproximadamente 1/1000 de milímetro (mucho más pequeña que la escala de los objetos cotidianos)
• longitudes de onda de radio: alrededor de 0,5 m a 10 m (comparable a objetos y edificios cotidianos)

Aun así, puedes ver la luz visible difractándose alrededor de los objetos con bastante facilidad. Hay muchos experimentos y situaciones en las que es evidente. Pero sobre todo, su longitud de onda es pequeña en comparación con los objetos cotidianos, por lo que normalmente no notamos la pequeña cantidad de difracción que se produce.

La luz junto a la esquina se difractará a la vuelta de la esquina. La luz un poco más alejada de la esquina también se difractará, aunque no tanto. Para una rendija estrecha, solo hay una pequeña cantidad de luz que se difracta, pero a medida que la rendija se hace más y más grande, hay más y más lugares desde donde difractar. Podrías pensar que eso significaría más luz difractada, pero toda esta difracción da lugar a una interferencia destructiva, por lo que cuanto más ancho sea el espacio al lado de la esquina, más estrecho será el haz de luz difractada (esto está relacionado con el principio de incertidumbre: si tienes un rendija muy estrecha, tiene poca incertidumbre sobre dónde está la luz, por lo que tiene una gran incertidumbre en qué dirección va).

Si una rendija es "estrecha" o no, es relativo a la longitud de onda. Si está escuchando a alguien en otra habitación y la puerta está abierta, la entrada es "pequeña" en comparación con la longitud de onda de las ondas de sonido, pero es enorme en comparación con la longitud de onda de la luz visible, por lo que la cantidad de difracción de la luz es insignificante. Wifi utiliza ondas EM con una longitud de onda mucho mayor que la de la luz visible, por lo que puede circular mucho mejor por las esquinas.

¿Cómo es que la luz que golpea mis ojos no es igualmente probable que haya viajado desde detrás de los objetos y alrededor de las esquinas?

En términos generales, la amplitud de los caminos directos es mayor que la de los caminos curvos. Hay muchos caminos torcidos diferentes y pueden tener fases muy variadas y, por lo tanto, interferir destructivamente entre sí. Solo hay una ruta directa y las rutas cercanas tendrán fases cercanas a las mismas y, por lo tanto, tendrán interferencia constructiva.

He aquí una forma de pensarlo: solo la luz que está realmente cerca del borde se dobla alrededor del borde. Y "realmente cerca" significa "aproximadamente la longitud de onda de la luz", que, como han señalado otros, es diminuta. Esto significa dos cosas.

1. La cantidad de luz que se dobla en la esquina es muy pequeña, ya que es solo la luz que estaba tan cerca del borde. Así que realmente no puedes verlo porque no hay suficiente luz. (O tal vez puedas un poco en una habitación oscura en el experimento con el cuchillo, pero en ese caso es por eso que necesitas que la habitación esté oscura).

2. Toda la luz que se dobla en la esquina hacia ti proviene de esa pequeña tira, por lo que no obtienes una imagen de lo que hay detrás de la pared, solo un borde de la pared insignificantemente más brillante. La clave para ver una imagen es que la luz entra en tu globo ocular desde diferentes direcciones, y el borde de la pared significa que la única variación direccional de la luz difractada es hacia arriba y hacia abajo. Pero de nuevo, no puedes verlo de todos modos porque hay muy poco.

• ¿Puede la luz cambiar de dirección en el espacio vacío interactuando consigo misma?

No, al igual que las ondas de agua, las ondas de luz pasan entre sí, se suman en la región de cruce (=interferencia) y salen como entraron, pero la luz se dobla en las esquinas. En un sentido más profundo, la luz interactúa consigo misma según la óptica de Huygens (una onda es una suma de puntos como los osciladores), y es por eso que crea ondas. Y cuando la luz no puede interactuar con la luz vecina porque hay una esquina, entonces la onda se dobla (ese efecto también se ve en las ondas de agua).

• ¿Cómo es que la luz que golpea mis ojos no es igualmente probable que haya viajado desde detrás de los objetos y alrededor de las esquinas?

Porque el efecto es pequeño pero históricamente demostrado con luz visible por arago/poisson