Почему свет не мешает сам себе перемещаться в пространстве?
Представим простую ситуацию. Есть поверхность воды. По ней распространяются волны.
Эта картинка довольно популярна
Чаще всего волны движутся параллельно друг другу и это не мешает процессу их распространения. Однако в некоторых регионах встречаются волны, которые следуют в противоположных направлениях и пересекаются под углом.
Они называются перекрёстными и демонстрируют простое физическое явление — механические волны могут распространятся таким образом, что встретятся и будут «мешать» друг другу. Дальше мы имеем всю гамму процессов, связанных с волновыми взаимодействиями. Конечный результат будет зависеть от параметров исходных волн. Например, волны могут интерферировать (или складываться) и при несовпадении параметров «заглушат» друг друга.
Например, волны в противофазе аннигилируют
Такой эффект широко применяется на практике. Например, если вы посмотрите на современные наушники с активным шумоподавлением, то увидите иллюстрации работы этого физического явления.
Шумоподавление в наушниках работает на основе принципа деструктивной интерференции звуковых волн, которые тоже являются механическими. Система генерирует звуковые волны, которые имеют противоположную внешним шумовым волнам фазу и когда волны пересекаются, они начинают «взаимно уничтожать друг друга». Это приводит к снижению шума.
Пока всё это механическое и работает в некоторой локации типа водоёма или воздушного пространства, всё кажется логичным и простым. Обычная механика, которую можно пощупать. Да и взаимодействие очевидное и подчиняется школьной физике. Но подумайте вот над чем.
Свет, который мы видим — это тоже волна. И пускай тут целая история про корпускулярно-волновой дуализм, но базовая логика в описании современной природы света отталкивается именно от его волновых свойств. Впрочем, и фотоны в современных источниках описываются давно уже не как «мячики» или частицы.
Вывод из сказанного только один. Весь свет вокруг нас априори представляет собой электромагнитные волны. Каждый источник света будет инициировать появление собственных колебаний в среде, которые будут распространяться и визуализировать процесс можно как работу волны на глади моря из примера выше. При огромном количестве таких колебаний волны будут неизбежно встречаться друг с другом и рано или поздно параметры должны сгруппироваться таким образом, что лучи начнут мешать собственному распространению.
Волны в противофазе будут гасить друг друга посредством эффекта интерференции, а для нас бы это было чёрными пятнами без всякого света. Но мы не видим таких «пустых зон». При этом физика процесса должна быть аналогична работе наушника с шумоподавлением.
Учебник тут утверждает, что лучи разного или одного цвета никогда не мешают друг другу, свободно проходят друг через друга и никак не взаимодействуют между собой. Стандартный ответ любого учителя физики будет аналогичен — белый свет не мешает другому белому свету. Вот только, это очень упрощенный ответ, который не раскрывает природы процесса.
Причем, даже если мы обратимся к корпускулярным представлениям о природе света (что сегодня считается неправильным), то проблема не разрешится. Вместо огромного количество колебаний в пространстве будет невероятное количество фотонов, которые как теннисные мячики начнут летать и соударяться друг с другом. В этом случае свет тоже неизбежно мешает сам себе, хотя такой взгляд мы сейчас обсуждать не будем и он давно не актуален. При этом если мы будем анализировать вопрос применительно к фотонам (чем бы они не являлись), то тоже найдём один лишь ответ — фотоны не взаимодействуют друг с другом.
Почему это так? Более или менее объективно звучит, что согласно принципу суперпозиции полей две различные электромагнитные волны, проходя одновременно через одну точку пространства, не оказывают влияния друг на друга.
Это утверждение принимается без доказательств, а в эксперименте ни разу не был зафиксирован обратный эффект. Но по факту мы имеем постулат. В очередной раз это противоречит некоторой разумной логике, поскольку интуитивно хочется сказать, что свет мешает сам себе при распространении. И да, в реальности процесс куда более сложный, чем кажется на первый взгляд.
При более тщательном анализе источников информации можно выяснить, что взаимодействие фотонов всё-таки упоминается.
Утверждается, что на самом деле фотоны могут рассеиваться друг на друге «косвенно», через промежуточные виртуальные электрон-позитронные пары. Поперечное сечение функции (или вероятность такого события) очень мала, потому что диаграмма Фейнмана имеет четыре вершины в отличие от двух при межэлектронном рассеянии. Переводя это на «человеческий» получается, что два белых луча всё же будут взаимодействовать и могут мешать друг другу.
По сути это должно было бы привести к появлению тех самых черных пятен в пространстве, где нет никакого света. Тогда почему мы их не видим?
Ответ на поверхности — слишком большое количество прочих источников и небольшой «охват» поля зрения человека. Сложные численные методы могут выявить нечто большее, чем просто одно пятно в пространстве. Объект может быть окружен концентрическими световыми кольцами или подобными артефактами, яркость которых быстро уменьшается, а визуально оно будет неотличимо от гомогенной среды.
На изображении слева показан «крест Эйнштейна» (четыре пятна света), созданный гравитационной линзой, рассчитанной с использованием метода стационарной фазы или геометрической оптики. Изображение справа показывает то же самое, но используется более сложное численное интегрирование. Процесс сложного моделирования приводит к пониманию, что между пятнами тоже есть свет.
Это говорит о том, что даже если в окружающем пространстве нас будут окружать такие «тёмные пятна», то наблюдать их посредством «обычного» зрения будет просто невозможно. Соответственно, и аргумент относительно взаимодействия световых волн, опирающийся на простое зрительное наблюдение, не будет иметь никакого значения.
Из написанного следует, что свет всё-таки «мешает» распространяться сам себе? По всей видимости, это так. Общепринятое утверждение тут выступает в роли упрощения из серии школьных задачек, где «силой трения пренебречь». Такой вывод можно сделать хотя из сведений о взаимодействии фотонов, которое всё-таки наблюдается, но не столь линейно. При этом предполагается, что взаимодействие двух световых волн более вероятно при увеличении частоты исходных потоков.
Впрочем, тут важно обозначить, что речь в обсуждении идёт про самый обычный свет, испускаемый самыми разными источниками вокруг нас. Никто не говорит про как таковую невозможность световой интерференции. При прочтении материала может сложиться впечатление, что я полностью исключаю этот физический процесс. Но мы говорим про взаимодействия света от произвольных источников с разными параметрами. Интерферировать же могут только когерентные световые лучи. Это волны одинаковой частоты, между которыми сохраняется постоянная разность фаз (то есть они согласованы по фазе). Эта информация не является новостью или шоком.
Буду рад видеть вас в Telegram-канале моего проекта. Я регулярно разбираю разные интересные темы.
