Si la luz viaja en línea recta, ¿cómo puede doblarse cuando entra o sale de un material transparente?

Primero, la luz no necesariamente viaja en línea recta, a menos que viaje en un medio homogéneo. La ley más fundamental sobre el viaje de la luz es el principio de Fermat de menor tiempo, que establece los viajes de la luz entre dos puntos en una ruta que minimiza el tiempo de transmisión. Por lo tanto, si obtiene el viaje de la luz en diferentes medios (diferenciados por un índice de refracción diferente), esperaría un viaje de la luz en un camino distorsionado, como anticipaba el principio de Femart.

En segundo lugar, en la teoría de onda de la óptica, bajo aproximación paraxial, las ecuaciones de Maxwell, que describen los comportamientos electromagnéticos de la luz, podrían compararse con la ecuación de Schordinger en términos del formato matemático. Además, uno podría comparar el índice de refracción con el potencial en la ecuación de Schordinger. Por lo tanto, el camino de la luz viaja en medios no homogéneos podría compararse con el rastro del movimiento de la pelota en presencia de potencial de gravedad.

En realidad, puede llevar a cabo un experimento de este tipo para ver cómo se puede doblar la luz en medios no homogéneos. Primero, encuentre una gran taza / botella de vidrio, llene el recipiente transparente con agua. Segundo, pon un poco de sal en el agua. La distribución de la concentración de sal debido a la gravedad reflejaría la distribución del índice del agua salada. Con esto hemos creado un sistema de medios no homogéneo. Por último, haga que la luz se inyecte en el agua (más horizontal), se espera que vea que la luz viaja en un camino similar a una pelota con una velocidad inicial horizontal distinta de cero que cae en el aire y rebota en el suelo.

Existe un principio en óptica llamado principio de Fermat del tiempo mínimo, que establece que la luz viajará a lo largo de un camino entre dos puntos que representa el camino del tiempo mínimo. Esta es una aplicación de un principio más general, conocido como el principio de menor acción, que fue amado por los físicos, como Feynman, porque puede proporcionar una ruta conveniente para resolver dinámicas complejas. Es la base detrás del camino del formalismo integral de Feynman de la electrodinámica cuántica, y también se usa ampliamente para trabajar en problemas de relatividad general. Entonces es un enfoque muy poderoso.

Con respecto a la óptica, es bastante sencillo: la luz tomará el camino del menor tiempo entre dos puntos. Eso incluso parece razonable para nuestra intuición. ¿Por qué la luz querría deambular por un camino diferente, incluso si el camino es geométricamente más corto? La luz necesita llegar a donde va tan rápido como puede.

Si los dos puntos se encuentran dentro de diferentes medios, con diferentes índices de refracción, entonces el camino del menor tiempo podría no ser recto. No es tan difícil ver por qué esto debe ser así:

En primer lugar, en un medio homogéneo, el camino más corto entre dos puntos será una línea recta. Entonces estamos contentos con esto.

Ahora considere un punto en el aire y otro en el agua. La luz viaja más lentamente en el agua que en el aire, por lo que si es posible, la luz viajará a lo largo de un camino que minimiza el tiempo en el agua (donde viaja más lento). Si los dos puntos están conectados por una línea imaginaria que es perpendicular a la superficie que separa los dos medios, entonces viajará a lo largo de esa línea recta. Cualquier desviación de ese camino significará que toma un camino más largo en el agua Y un camino más largo en el aire. El hecho de que cualquier desviación de una línea recta resulte con un tiempo más largo en el agua significa que ninguna otra ruta puede ser la ruta de menos tiempo en este caso.

Sin embargo, si la línea imaginaria entre los dos puntos NO es perpendicular a la superficie del agua, es posible que una ruta que se desvía de la línea recta implique una ruta más corta en el agua Y una ruta más larga en el aire. Debido a que el agua es el medio más lento, puede minimizar el tiempo de vuelo minimizando el tiempo que pasa dentro del agua. Por lo tanto, un camino más rápido será uno donde la luz pase menos tiempo en el agua. Si garabateas esto en una hoja de papel, puedes ver de inmediato que el camino más rápido tendrá una luz que se dobla hacia la dirección normal (perpendicular) a la superficie, que es exactamente lo que esperamos de la refracción.

La luz viaja sin perder energía y con cero esfuerzo, asegurándose de que no se desperdicie nada. Al igual que el agua fluye hacia abajo evitando obstáculos, la luz viaja en un camino que evita cualquier desperdicio. Por lo tanto, NUNCA es una línea recta porque en ninguna parte del universo existe una región que esté libre de curvatura o impureza. El espacio es curvo y en ninguna parte es absoluto u homogéneo en un gran espacio. Esto significa que la luz se ralentiza y, por lo tanto, se dobla.

La luz viaja en línea recta si viaja en el mismo medio; sin embargo, cuando el rayo alcanza la superficie límite entre dos medios diferentes, cada uno con un índice de refracción diferente, el rayo cambia su dirección. ¿Por qué sucede eso? Bueno, hay algunas fórmulas y explicaciones matemáticas interesantes relacionadas con esto, pero estoy en el noveno grado y no las estudiamos tan temprano en la escuela; por lo tanto, tendré que darte una explicación muy agradable y fácil de entender que me dio un profesor de física hace mucho tiempo. Por supuesto, será un poco más difícil escribirlo aquí sin tener un video, pero he encontrado una buena representación:

Si esa “parte inferior” (según la representación) alcanza primero el límite, como puede ver, será la primera en reducirse. Entonces, siendo el primero, cambiará toda la dirección del rayo.

El profesor de física del que hablaba me mostró un experimento similar, pero en lugar de un rayo de luz, utilizó un cilindro metálico pequeño y delgado con ruedas paralelas en cada extremo. Se suponía que una de las ruedas era la parte inferior del rayo en la imagen, y la otra, la parte superior. En lugar de dos medios con un índice de refracción diferente, utilizó la tabla como uno de ellos y una superficie plana como el otro. Arregló un sistema en el que la superficie plana se había elevado pero aún se había dejado en contacto con la mesa. Luego, la maestra dejó caer ese cilindro de metal en la superficie, y cuando llegó a la línea donde los dos planos eran tangentes, una de las ruedas tocó la mesa más rápido y cambió toda la dirección. Si no entendió esta explicación, no es su culpa. Es difícil explicar esto sin un video. Pero de todos modos, tienes la mejor versión anterior.