Ist nicht alles Licht polarisiert?

Die einzige Voraussetzung für Licht ist, dass das elektrische Feld zu jedem beliebigen Zeitpunkt oder Raum senkrecht zum magnetischen Feld steht. Diese Annahme ergibt sich natürlich aus den Maxwell-Gleichungen.

Die intuitivste Art, über Licht nachzudenken, ist mit dem Bild, das Sie von der Lichtwelle aufgenommen haben. Allerdings muss man sich vorstellen, dass unendlich viele Lichtwellen wie die abgebildete überall gleichzeitig auftreten. Der Einfachheit halber multiplizieren Sie Ihr Bild einfach mehrfach und stellen Sie sich mehrere Lichtwellen vor, die parallel zueinander laufen. Wenn das elektrische Feld für alle Lichtwellen in die gleiche Richtung ausgerichtet ist, erhalten Sie etwas, das wie linear polarisiertes Licht aussieht.

Da Licht jedoch eine Welle ist, können Sie die elektrischen und magnetischen Felder all dieser Wellen zusammenzählen. Sie können kreisförmiges oder elliptisches Licht erzeugen, indem Sie die Achse des elektrischen Felds phasenverschieben.

Wenn Physiker von "unpolarisiertem" Licht sprechen, meinen sie, dass das Licht zu unorganisiert ist, um es mit dem Wort Polarisation zu konstituieren. Stellen Sie sich das gleiche Bild von mehreren Lichtwellen vor, die sich parallel ausbreiten, aber mit zufällig ausgerichteter Richtung des elektrischen Felds für jede Welle. Die Summe aller elektrischen Felder für all diese Wellen hätte eine Richtung, aber sie würde sich aufgrund zufälliger Änderungen in der Emission Ihres Quelllichts sehr schnell ändern.

Inkohärentes Licht wird von den meisten alltäglichen Dingen erzeugt, da Licht durch die Schwingungen von Atomen erzeugt wird, die Dinge unabhängig voneinander tun. Das meiste natürliche Licht ist größtenteils unpolarisiert oder inkohärent, außer wenn es bei nicht senkrechtem Einfall von einem Material reflektiert wird (siehe: Fresnel-Gleichungen). Polarisiertes Licht wird üblicherweise mit Lasern oder LCD-Bildschirmen oder durch schrägen Einfall auf ein Medium erzeugt (siehe Brewster-Winkel).

Wikipedia beschreibt es gut:

„Strahlung wird unabhängig voneinander von einer großen Anzahl von Atomen oder Molekülen erzeugt, deren Emissionen unkorreliert und im Allgemeinen zufällig polarisiert sind. In diesem Fall spricht man von unpolarisiertem Licht. Dieser Begriff ist etwas ungenau, da sich zu jedem Zeitpunkt an einem Ort befindet ist eine eindeutige Richtung für die elektrischen und magnetischen Felder, impliziert jedoch, dass sich die Polarisation zeitlich so schnell ändert, dass sie nicht gemessen oder für das Ergebnis eines Experiments relevant ist.

http://en.wikipedia.org/wiki/Polarization_(waves)#Unpolarized_and_partially_polarized_light

Das Buch ist ungenau, weil es andere Arten von polarisiertem Licht gibt. Betrachten Sie nun einen Punkt im Weg der Welle, wie den grünen Punkt in der Animation, die Sie erwähnt haben. In diesem Bild ist das Licht linear polarisiert, sodass das elektrische Feld an der Stelle des Punktes eine Linie zeichnet. Es gibt aber auch zirkular polarisiertes Licht, wo das elektrische Feld wie in diesem Bild einen Kreis zieht

Dann spricht man von polarisiertem Licht, wenn das elektrische Feld an einem bestimmten Punkt eine Linie, einen Kreis oder allgemein eine Ellipse zeichnet. Unpolarisiertes Licht entsteht, wenn sich viele dieser Wellen überlagern, was zu einem elektrischen Feld führt, das zufällig in alle Richtungen oszilliert.

Dies tritt immer dann auf, wenn die Quelle eine Gruppe von Elektronen ist, die selbst in zufälligen Richtungen schwingen, wie z. B. in einem heißen Draht.

Unter normalen Bedingungen kann man sich jedes Photon als eine rein kohärente Einheit mit einer eindeutigen Polarisation an allen Punkten im Impulsraum (Wellenzahlraum) vorstellen. Ich diskutiere diesen Begriff in mehreren anderen Antworten ausführlicher, insbesondere in dieser hier , aber die wesentliche Idee ist folgende: Einzelne Photonen breiten sich nach den Maxwell-Gleichungen aus (die so ziemlich die Dirac-Gleichung für ein masseloses Teilchen mit Spin 1 sind), also ein reines Quant Ein-Photonen-Zustand wird durch die komplexen Quantenüberlagerungsgewichte der zwei zirkular polarisierten Eigenzustände bei jedem Wert des Wellenvektors spezifiziert$\vec{k}$im Impulsraum.

Also, auf dieser Ein-Photonen-Ebene, ja - abgesehen von komplizierten Verschränkungen - interferiert jedes Photon nur mit sich selbst (Diracs fast korrekte berühmte Aussage) und es hat eine bestimmte Polarisation, wenn auch eine sehr komplizierte (unterschiedliche Überlagerungsgewichte über ein breites Frequenzspektrum). .

Die meisten natürlichen Quellen geben diese grundlegend kohärenten Einheiten jedoch in einer breiten Streuung verschiedener reiner Quantenzustände aus. Das meiste Licht befindet sich also in einem gemischten Zustand (siehe auch die Wikipedia-Artikel zur Dichtematrix und das Gedankenexperiment von Wigner's Friend) : eine klassisch probabilistische Mischung aus reinen Ein-Photon-Zuständen. Dies ist die einfachste Art, sich depolarisiertes Licht vorzustellen, dessen klassische Beschreibung tatsächlich sehr kompliziert wird (Born und Wolf widmen ihm ein ganzes Kapitel - oder zumindest der klassischen Beschreibung des sehr verwandten Begriffs des teilweise kohärenten Lichts). Die vollständige Quantenbeschreibung mit Verschränkung ist ebenfalls sehr heikel, aber die grundlegende intuitive Vorstellung des gemischten Zustands ist ein viel einfacherer Weg als die klassische Beschreibung, um die Depolarisation zu verstehen.

Einige Antworten auf den Kommentar von Benutzer Phonon:

" sehr interessanter Ansatz! [ Dieser Beitrag (Physics SE Question "Difference Between Spin and Polarization of a Photon")] könnte Sie auch interessieren. (Es fehlt immer noch eine eindeutige Antwort, würde ich sagen.) – "

Ich denke, diese Frage zeigt, dass "Polarisierung" - wie alle natürlichen englischen (oder deutschen, Mandarin - jede natürliche Sprache) Wörter - etwas vage werden kann und daher die Notwendigkeit, die eigenen Ideen in mathematischer Sprache zu kodieren. Die beste Definition von Polarisierung, die mir auf Anhieb einfällt, ist:

1. Polarisation ist ein Wort, das sich im strengsten Sinne auf reine Quantenzustände bezieht ; es gilt am ehesten für Einphotonen-Fock-Zustände oder quantenreine kohärente Zustände;

2. Man spezifiziert die Polarisation eines Ein-Photonen-Fock-Zustands, indem man die komplexen Überlagerungsgewichte der linken und rechten Drehimpuls-Eigenzustände an jedem einzelnen Punkt definiert$\vec{k}$im Impulsraum. Polarisierung ist also im Allgemeinen eine Funktion der Form$\mathbb{R}^3\to\mathbb{C}\times \mathbb{C}$, dh zwei komplexwertige Funktionen des Impulsraums$\mathbb{R}^3$. Beachten Sie, dass wir im Allgemeinen nicht über ein monochromatisches Feld sprechen; monochromatische Felder sehen aus wie Kugelschalen (definiert durch$c|\vec{k}| = \omega$) im Impulsraum. Jetzt;

3. Wir können unsere Polarisationsdefinition auf teilweise polarisiertes Licht erweitern, indem wir an klassische Mischungen reiner Quantenzustände denken. Jetzt wird also unser teilweise polarisierter Zustand zu einer Dichtematrixfunktion $\mathbb{R}^3\to \mathcal{M}(2,\,\mathbb{C})$zuweisen a$2\times2$Hermitische Dichtematrix, die die Stokes-Parameter für jeden enthält$\vec{k}\in\mathbb{R}^3$Impulsraum.

Nun denn, das Wort „Spin“ hat zwei verwandte Bedeutungen. Der erste ist, dass der Spinzustand eines Photons durch die Überlagerungsgewichte der Eigenfunktionen der Spinobservablen definiert wird. Betrachtet man den beobachtbaren Spin für die Komponente des Drehimpulses in Richtung von$\vec{k}$an allen Punkten im Impulsraum und schreiben Sie den Zustand des Photons als Überlagerung der Eigenzustände dieser Observablen, dann berechnen Sie tatsächlich genau die Polarisation, wie ich sie oben definiert habe. In diesem Sinne sind Spin und Polarisierung also ziemlich synonym - oder zumindest verstehe ich den englischen (natürlichen) Sprachgebrauch so.

Die zweite Bedeutung des Wortes „Spin“ ergibt sich aus der Antwort von Lionel Brit auf diese Frage : Wenn wir sagen, dass das Photon „Spin 1“ hat, sagen wir einfach, dass sich sein Zustand (eine Lösung der Maxwell-Gleichungen) unter der Wirkung auf eine bestimmte Weise umwandelt der Lorentzgruppe. "Spin 1" benennt eine bestimmte Darstellung der Lorentz-Gruppe.

Das Bild der Welle, die Sie betrachten, ist bereits polarisiert, und das ist linear polarisiertes Licht. Dies ist jedoch nicht der allgemeine Fall, Wellen, die von einem beliebigen Molekül emittiert werden, können linear polarisiert sein, aber eine gewöhnliche Lichtquelle enthält eine große Anzahl von Molekülen mit zufälligen Orientierungen, sodass das emittierte Licht eine zufällige Mischung von Wellen ist, die in allen möglichen Querrichtungen linear polarisiert sind. Licht von einer gewöhnlichen Lichtquelle ist also unpolarisiert.

Damit nicht alles Licht polarisiert ist, benötigen Sie einen Filter, um aus dem Licht gewöhnlicher Quellen polarisiertes Licht zu erzeugen. Außerdem gibt es, wie @Asaf sagte, auch andere Arten der Polarisation, nicht nur die lineare Polarisation. http://en.m.wikipedia.org/wiki/Polarization_(waves)

Siehe Wikipedia "Unpolarisiertes und teilweise polarisiertes Licht". Dort steht es geschrieben

„Die meisten gängigen Quellen für sichtbares Licht, einschließlich thermischer (schwarzer Körper) Strahlung und Fluoreszenz (aber nicht Laser), erzeugen Licht, das als „inkohärent“ bezeichnet wird. Strahlung wird unabhängig von einer großen Anzahl von Atomen oder Molekülen erzeugt, deren Emissionen unkorreliert und im Allgemeinen von zufällige Polarisationen. In diesem Fall wird das Licht als unpolarisiert bezeichnet.“

(Um die rosa Linie herum zeigt sie zwar die Ausbreitungsrichtung, aber der Text ist abgeschnitten.)

Viel Glück,

Sofia