Ich bin ein Neuling in Physik, aber ich frage mich, wie ein Lichtstrahl im Wesentlichen dargestellt werden kann. Ich habe immer gewusst, dass ein Lichtstrahl in einer geraden Linie verläuft, bis er auf ein anderes Objekt (oder Material) trifft, das ihn bricht/reflektiert. Aber ein Lichtstrahl sollte Teil einer elektromagnetischen Welle sein, ist das richtig? Wenn dem so ist, sollte es der Wellengleichung gehorchen, und dies scheint mir keinen geradlinigen Strahl zu beschreiben.
Ich habe Probleme, mir vorzustellen, wie Licht emittiert wird und wie es mit der Wellengleichung zusammenhängt. Kann mir jemand mit einem klaren Verständnis des Problems es in einfachen Worten erklären?
Lichtstrahlen sind im Vergleich zu allen anderen Längenskalen des Problems nur ein guter Weg, um Licht an der Grenze sehr kurzer Wellenlängen zu beschreiben. Dies nennt man die geometrisch-optische Grenze, und dort kann man die Maxwell-Gleichungen in der sogenannten eikonalen Näherung lösen, um das Fermatsche Prinzip und damit eine Lichtstrahlbeschreibung des Lichts zu erhalten.
Der wesentliche Punkt der eikonalen Annäherung besteht darin, einen Ansatz der Form zu machen
Sobald Sie das tun, erhalten Sie die eikonale Gleichung, die lautet
Weitere mathematische Details finden Sie in dieser Frage . Wenn das obige immer noch zu kompliziert ist, lassen Sie es mich wissen.
Ich bin sicher, die Antwort von Emilio Pisanty ist in Ordnung, +1, aber sie geht mir etwas über den Kopf. Es appelliert auch an spezifische Eigenschaften elektromagnetischer Wellen, während die Strahlennäherung viel allgemeiner ist. Hier ist ein einfacheres Plausibilitätsargument, das möglicherweise eher auf der Ebene liegt, die das OP verstehen kann.
Wenn Sie eine Welle durch einen Spalt der Breite beugen erhalten Sie ein Beugungsmuster mit einer Winkelbreite der Ordnung (im Bogenmaß). Wann ist klein im Vergleich zu , wird klein. In der Grenze wo , , und Sie haben einen Strahl, der durch den Schlitz kommt. Verschiedene Arten von Wellen (Wasserwellen, Schallwellen, Lichtwellen, ...) haben unterschiedliche Details in Bezug auf Dinge wie Polarisation, aber nichts davon beeinflusst das obige Argument.
Wenn dem so ist, sollte es der Wellengleichung gehorchen, und dies scheint mir keinen geradlinigen Strahl zu beschreiben.
Recht. Ein perfekt kollimierter, paralleler Wellenzug kann niemals eine Lösung der Wellengleichung sein. Ein Beugungsmuster mit einer sehr kleinen Winkelbreite kann jedoch eine Lösung sein, und wenn die Breite klein genug ist, ist es nicht von einem parallelen Wellenzug zu unterscheiden.
dmckee --- Ex-Moderator-Kätzchen