¿Qué es exactamente la cantidad física a la que se hace referencia como "frente de onda" en el principio de Huygens?

No estoy completamente seguro de dónde radica su confusión, pero tengo la sensación de que es de naturaleza conceptual, por lo que tal vez esto ayude a aclarar un poco las cosas. Aquí hay una onda EM unidimensional; es una ola de fuerzas cambiantes de los campos eléctricos y magnéticos.

La onda se propaga de izquierda a derecha, a lo largo del eje z positivo. Nuevamente, este es el caso unidimensional; el campo eléctrico y magnético impregnan el eje z. En otras palabras, cada punto a lo largo del eje z tiene dos vectores asociados, y estos vectores tienen una magnitud, que es la cantidad física que oscila. Los vectores forman un patrón de onda.

Subamos una dimensión; ahora, el campo eléctrico y magnético impregnan el plano yz:

Para cada punto en el plano yz hay un$\vec E$y un$\vec B$asociado a ello; sus magnitudes cambian en un patrón similar a una onda, formando una versión 2D de una onda plana de luz. Los frentes de onda son simplemente líneas que conectan puntos que están en fase. Tenga en cuenta que hay (continuamente) infinitos frentes de onda, la imagen solo muestra algunos representativos.

Aquí está el caso 3D; ahora el campo eléctrico y magnético impregnan todo el espacio:

El frente de onda ahora es un plano que conecta puntos que están en fase. Como antes, esta es una onda plana , con frentes de onda paralelos que se mueven de izquierda a derecha a lo largo del eje z positivo.

(imagen de Wikipedia )

Para una onda esférica o hemisférica, la idea es exactamente la misma; es solo que los frentes de onda son segmentos curvos de una esfera:

(imagen de aquí )

Parece que está buscando una forma de ubicar con precisión un punto en una onda donde pueda decir "la fase aquí es pi / 4", o "la amplitud aquí es máxima", y concluir que el frente de onda pasa por ese punto . Desafortunadamente, no es tan claro. Para medir realmente la fase, se deben observar múltiples ondas en un tren porque la fase es una cantidad relativa . La fase no es absoluta.

Cuando hay dos trenes de ondas sinusoidales, idénticos excepto por su dirección, que se cruzan en un punto, no es demasiado difícil definir y medir una diferencia de fase entre ellos en ese punto . Todo lo que necesita hacer es retrasar uno de los trenes de ondas lo suficiente para que las dos ondas estén perfectamente sincronizadas; luego compara ese retraso con el período del tren de ondas. Si los dos trenes de ondas no son sinusoidales pero siguen siendo idénticos y periódicos , entonces compara el retraso con el período fundamental de los trenes de ondas.

Un frente de onda aislado en realidad no tiene un período. Por lo tanto, tampoco tiene realmente una fase. Cuando aplicamos el Principio de Huygens, generalmente damos por sentado que el tren de ondas es continuo, uniforme y sinusoidal. En ese caso, se puede considerar que cualquier superficie de amplitud constante en un instante dado tiene fase "cero" o "$\pi/2$, o lo que sea; y el Principio funciona.

Dicho todo esto, ni la fase absoluta ni la amplitud absoluta están bien definidas para una onda de forma arbitraria. En el caso general, cualquier cosa que decidas llamar "fase absoluta" o "amplitud absoluta" cambiará constantemente; y la amplitud no corresponderá directamente a la fase.

Quizás una onda de sonido sea una buena forma de empezar.

Lo que 'oscila' en cada punto es la presión del aire. Si alguien hiciera un fuerte sonido de 'aplauso', la región de alta/baja presión repentina viajaría hacia afuera y los lugares a los que había llegado en un momento dado tendrían la forma de la superficie de una esfera.

El aire en sí no se mueve hacia afuera desde el centro, el aire en general es más o menos estacionario, solo la onda de presión se mueve hacia afuera y el frente de onda es la superficie de la esfera.

Si imaginaste que cada punto de la esfera iniciaba nuevas ondas, poco tiempo después, la influencia de la onda de todos esos puntos habría alcanzado la superficie de una nueva esfera con un radio ligeramente mayor.

Para la luz sería similar, pero es la fuerza del campo electromagnético lo que varía.

En física, el frente de onda de un campo variable en el tiempo es el conjunto de todos los puntos donde la onda tiene la misma fase que la sinusoide. El término generalmente tiene significado solo para campos que, en cada punto, varían sinusoidalmente en el tiempo con una sola frecuencia temporal. Los frentes de onda generalmente se mueven con el tiempo. Wikipedia

Sin embargo, creo que también se puede definir para ondas no sinusoidales como el borde de ataque de la onda. Por ejemplo, si la onda de propagación 1D, 2D o 3D fuera una función de paso, el frente de onda sería la ubicación del paso.

También creo que se puede definir como la superficie tangencial a todas las ondículas de Huygens: https://www.dictionary.com/browse/huygens-principle

Principio de Huygens el principio de que todos los puntos en un frente de onda de luz son fuentes de ondas secundarias y que las superficies tangenciales a estas ondas definen la posición del frente de onda en cualquier momento.