Wenn sich Licht wie Wellen ausbreitet, warum kann ich dann nicht um Ecken sehen?

Das Biegen von Wellen um Ecken wird als „Beugung“ bezeichnet, und ihre natürliche Längenskala ist die Wellenlänge der gebeugten Welle. Wenn Sie also den Ton von einem Lautsprecher, der ein mittleres C spielt, mit einer Wellenlänge von etwa einem Meter in der Luft blockieren möchten, dann brauchen Sie ein Hindernis, das viele Meter breit ist. (Ein Gebäude hat eine gute Größe.) Aber um sichtbares Licht mit einer Wellenlänge im Submikrometerbereich zu blockieren, ist ein millimetergroßes Objekt ein ausreichend großes Hindernis.

Licht, das sich in geraden Linien ausbreitet, ist eine Annäherung, die meistens sehr gut funktioniert. Der häufigste Fall, in dem es versagt, ist, wenn Licht durch eine Lochblende oder einen Schlitz wandert. Dann biegt es sich ein wenig. Dies wird Beugung genannt.

Sie können ein Beispiel für Lichtkrümmung sehen, wenn Sie Ihren Finger und Daumen nahe beieinander halten, während Sie zwischen ihnen auf Ihren Computermonitor schauen. Wenn sie getrennt werden, gelangt Licht direkt vom Monitor zu Ihrem Auge. Als sie sich fast berühren, scheint eine dunkle Beule aus Ihren Fingern zu wachsen, um die Lücke zu füllen. Was wirklich passiert ist, dass Licht, das auf Ihr Auge gerichtet war, weggebogen wird.

Es passiert die ganze Zeit, aber meistens ist der Effekt zu gering, um es zu bemerken. Es ist manchmal wichtig, wenn Menschen sehr genau wissen wollen, wohin das Licht geht.

Ein Ort, an dem dies von Bedeutung ist, sind Kameraobjektive. Sie sind so konzipiert, dass sie das gesamte Licht, das von einem Punkt eines Objekts kommt, zu einem Punkt auf dem Sensor bringen. Wenn sie nicht auf einen perfekten Punkt kommen, ist das Bild verschwommen.

Bild von Pass My Exams

Eine Linse ist eine riesige Lochblende. Eine große Lochblende verursacht weniger Biegung als eine kleine Lochblende. Aber für ein wirklich gutes Objektiv ist die Beugung der Hauptgrund dafür, dass der Fokus nicht perfekt ist.

Ein weiterer Ort, an dem es wichtig sein kann, ist ein Laserstrahl. Die Leute wollen vielleicht einen perfekt zylindrischen Laserstrahl, der sich nie ausbreitet. Die meisten Strahlen sind ziemlich nah, aber sie breiten sich über die Entfernung aus. Die Strahlen folgen einem nahezu geraden hyperbolischen Pfad. Diese Art von Strahl wird Gauß genannt. Hier sehen Sie eine Skizze der gekrümmten Wellenfronten. Die Strahlen zeigen die Richtung an, in der sich die Wellenfronten bewegen. Die Strahlen stehen immer senkrecht zu den Wellenfronten. Die Streuung beträgt in der Regel einen Bruchteil eines Grades.

Bild aus dem Artikel von RP Photonics über Gaussian Beams

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Die Unschärfe in den unscharfen Ebenen einer Kamera ist nicht auf Beugung zurückzuführen und wird ebenso gut durch das Teilchenmodell des Lichts beschrieben.

Guter Punkt. Das Bild zeigt keine Beugung. Vielleicht ist das verwirrend. Es veranschaulicht, dass das Bild verschwommen ist, wenn Strahlen von einem Punkt auf einem Objekt nicht denselben Punkt auf dem Sensor treffen. Film oder Sensor im falschen Abstand sind eine Möglichkeit dafür. Linsenfehler sind eine weitere Möglichkeit, Strahlen zu erhalten, die nicht auf einen Punkt fokussieren.

Auch wenn diese nicht vorhanden sind, verhindert Beugung eine perfekte Fokussierung.

Eine Linse verursacht hauptsächlich durch Brechung eine Biegung, und wiederum ein Partikelmodell beschreibt dies genau.

Die Refraktion wird typischerweise aus dem Wellenmodell abgeleitet.

Das Linsendesign basiert normalerweise auf Raytracing und Brechung und ignoriert typischerweise die Beugung. Die Strahlverfolgung wird aus den Oberflächenradien und Brechungsindizes der Linsen berechnet. Der Effekt der Beugung wird normalerweise getrennt von den Linsendurchmessern berechnet. Beugung wird typischerweise als Einschränkung behandelt. Es hat keinen Sinn, ein Objektiv zu konstruieren, bei dem die Aberrationen kleiner sind als der Beugungsunschärfekreis.

Die Beugung kann aus dem Teilchenmodell unter Verwendung der Unschärferelation berechnet werden. Einfacher lässt sich dies mit einem Schlitz beschreiben. Wenn ein Lichtteilchen einen Spalt passiert, ist die Unsicherheit der x-Komponente seiner Position die Breite des Spaltes. Dies erzeugt eine Unsicherheit in der x-Komponente seines Impulses. Dies bedeutet, dass das Partikel nicht genau auf den durch Raytracing vorhergesagten Punkt gerichtet werden kann. Die Beugung durch eine kreisförmige Apertur ist ähnlich, aber die Berechnungen sind 2-D.

Die sich ändernde Größe eines fokussierten Lichtstrahls bei seiner Ausbreitung ist auf die gekrümmten Wellenfronten zurückzuführen, und dies ist meistens keine Beugung. Beugung ist die Tatsache, dass Wellenfronten endlicher Breite eine gewisse Ausbreitung nicht vermeiden können, selbst wenn sie so weit wie möglich kollimiert sind.

Ein Gaußscher Strahl hat mehr zu bieten als die gekrümmten Wellenfronten. Der Strahlquerschnitt hat ein gaußförmiges Intensitätsprofil. Es ist am hellsten in der Mitte und verblasst, ohne es zu erreichen$0$. Das ist nicht gerade wie das Passieren einer Lochblende, aber die Ungleichmäßigkeit ist die Ursache für die gekrümmten Wellenfronten. Dies wird richtigerweise als Beugung beschrieben.

Das Bild veranschaulicht, was passiert, wenn ein Strahl mit einer Linse fokussiert wird. Bei einem guten Objektiv bestimmt die Beugung die Punktgröße und damit, wie stark dieser Punkt erhitzt wird. Aber genau das gleiche bestimmt den Winkel, in dem sich ein kollimierter Strahl ausbreitet. Das Bild wäre das gleiche, abgesehen von einer größeren Strahltaille und einem flacheren Divergenzwinkel. In jedem Fall sind die Strahlen hyperbolisch.

Nebenbei gibt es noch ein Intensitätsprofil mit perfekt kollimierter Besselfunktionsverteilung. Dies kann näherungsweise erreicht werden, indem ein Gaußscher Strahl durch eine Axicon-Linse geleitet wird . Dies hat Anwendungen bei Bohrvorgängen.

TL;DR: Sichtbares Licht – nein, aber Radiowellen – ja.

Elektromagnetische Wellen biegen sich um die Ecken, wenn ihre Wellenlänge mit der Größe des Objekts (zB Gebäude) vergleichbar ist. Sichtbares Licht mit einer typischen Wellenlänge von einigen hundert Nanometern ist offensichtlich kein guter Kandidat, aber für Radiowellen , die Wellenlängen von Zentimetern bis zu vielen Kilometern haben können, ist dies ein normaler Zustand. Aus diesem Grund können wir einen Funksender in einem Raum verwenden. Es ist sogar bekannt, dass außergewöhnlich lange Wellenlängen um die Erde wandern (siehe Extrem niedrige Frequenz und Langwelle ).

Sie sehen Licht um Ecken . Mach ein Licht an und geh um die Ecke, siehst du Licht? Natürlich tun Sie das, weil das Licht von Oberflächen reflektiert wird. Es besteht die Möglichkeit, dass Sie die Lichtquelle nicht gut, wenn überhaupt, auflösen können, da das Licht von den unzähligen Unvollkommenheiten der Oberflächen der Wand, die Sie betrachten, reflektiert wird. Aber wenn Sie diese glätten und einen schönen Spiegel machen, werden Sie feststellen, dass Sie ziemlich viele Details um die Ecke herum auflösen können.

Wenn sich Licht wie Wellen ausbreitet, warum kann ich dann nicht um Ecken sehen?

Du kannst. Außerdem können Sie sehen, wie sich das Licht genau wie eine Schallwelle beugt . Der Unterschied liegt im Maßstab.

Versuchen Sie das folgende Experiment. Nehmen Sie ein sauberes Messer, setzen Sie eine kleine helle LED (z. B. eine Handykamera-Taschenlampe im Taschenlampenmodus) hinter dieses Messer. Schalten Sie das Raumlicht aus, um die Schneide des Messers in der Dunkelheit zu beobachten (nur durch die LED gestört). Sie werden sehen, dass der Rand leuchtet. Wenn Sie die LED langsam näher an den Rand bewegen, sehen Sie, wie der Rand heller leuchtet, bis Sie irgendwann die LED selbst sehen können.

Was Sie in diesem Experiment gesehen haben, ist das Licht der LED, das an der Schneide des Messers gebeugt wird. Es scheint, als würde die Kante selbst dieses Licht aussenden. In ähnlicher Weise würden Sie jemanden hinter einem einsamen Gebäude schreien hören: als ob der Ton von der Kante des Gebäudes ausgeht, nicht von dahinter.

Andere Antworten erwähnen bereits, dass sichtbares Licht eine sehr kurze Wellenlänge hat, sodass wir normalerweise nicht um Ecken sehen, genauso wie wir Geräusche um Ecken hören. Und das ist auch gut so, sonst würden wir eine ziemlich chaotische Welt um uns herum sehen!

Aber wir können tatsächlich um Ecken sehen und in Objekte hineinsehen, wenn wir Femto-Fotografie verwenden , eine Technik, die „ Zeitlupenvideos von Licht in Bewegung erstellen kann “. Ich empfehle jedem, sich diesen erstaunlichen TED-Vortrag anzuschauen: Imaging at a billion frames per second . Sie schafften es, eine Nature Communications zu veröffentlichen, Recovering three-dimensional shape around a corner using ultrafast time-of-flight imaging , und Nature produzierte sogar eine coole Animation, How to see around corners . Die Technik ist so erstaunlich, dass einige Bilder aufgrund von Zeitverzerrungen Beugungswellen in die falsche Richtung zeigen.

Eine weitere, sehr, sehr coole – aber dennoch größtenteils theoretische – Möglichkeit, um Objekte herum zu sehen, ist der Phasenkonjugationsspiegel (siehe auch diesen und diesen Artikel auf Scientific American), eine Technik, die auf den seltsamen Effekten nichtlinearer Optik beruht, um sie zu erzeugen eine konjugierte Welle, die Phasenverzerrung und Fokus automatisch kompensiert, aber meines Wissens wurden bisher nur sehr kleine und frequenzbegrenzte Spiegel gebaut.

Licht interagiert nicht mit sich selbst , aus der Quantenelektrodynamik wissen wir, dass Photonen nicht miteinander koppeln können, da sie masselose Bosonen sind. Was bei einem Doppelspalt-Beugungsexperiment passiert, ist, dass das Photon mit sich selbst interagiert – oder besser gesagt, die möglichen Bahnen durch die Spalte interferieren miteinander – wie durch Experimente bewiesen wurde, bei denen die Lichtquelle so schwach ist, dass nur ein einzelnes Teilchen sie kreuzt Schlitze gleichzeitig, und das Beugungsmuster bleibt bestehen (siehe hier und hier ).

Das gesamte Licht wird um Ecken und Hindernisse herum gebogen (gebeugt).

Der Betrag, den es biegt, hängt von seiner Wellenlänge (oder Frequenz) ab. Längere Wellenlängen (=niedrigere Frequenz) beugen viel mehr, kürzere Wellenlängen (=höhere Frequenz) viel weniger.

So würden beispielsweise Röntgenstrahlen um ein Hindernis herum viel weniger gebeugt als sichtbares Licht, aber sie werden immer noch gebeugt – tatsächlich ist dies eine Methode, die verwendet wird, um die Struktur von Kristallen und großen Molekülen zu untersuchen – und sie in den Weg einiger Röntgenstrahlen zu bringen und schauen Sie sich die Beugungsmuster an, die es erzeugt.

Das Problem, das Sie haben, ist, dass sichtbares Licht ein ziemlich kleines Wellenlängenband ist, das im Vergleich zu den Abmessungen alltäglicher Objekte alle ziemlich kurz ist. Sie werden also keine großen Biegungen sehen, wie Ihre Frage vermuten lässt, oder eine große Unschärfe um jede Ecke.

Wenn Sie dasselbe mit längeren Wellenlängen wie Funkwellen oder WiFi machen, ja, sie biegen wirklich gut um Ecken. Tatsächlich können sie sich auch um die Erdkrümmung biegen.

Das ist, weil:

• Wellenlängen des sichtbaren Lichts: etwa 1/1000 Millimeter (viel kleiner als der Maßstab von Alltagsgegenständen)
• Funkwellenlänge: ca. 0,5 m bis 10 m (vergleichbar mit Alltagsgegenständen und Gebäuden)

Trotzdem können Sie leicht sehen, wie sichtbares Licht um Objekte herum gebeugt wird. Es gibt viele Experimente und Situationen, in denen es für das Auge klar ist. Aber meistens ist ihre Wellenlänge im Vergleich zu alltäglichen Objekten klein, und daher werden wir normalerweise die winzige Menge an Beugung nicht bemerken, die stattfindet.

Licht neben der Ecke wird um die Ecke gebeugt. Licht, das etwas weiter von der Ecke entfernt ist, wird ebenfalls gebeugt, wenn auch nicht ganz so stark. Bei einem schmalen Schlitz wird nur wenig Licht gebeugt, aber je größer der Schlitz wird, desto mehr Stellen werden gebeugt. Sie könnten denken, dass dies mehr Lichtbeugung bedeuten würde, aber all diese Beugung führt zu destruktiver Interferenz. Je breiter der Raum neben der Ecke ist, desto schmaler wird der Strahl des gebeugten Lichts (dies hängt mit der Unschärferelation zusammen: Wenn Sie a sehr schmaler Spalt, Sie haben eine geringe Unsicherheit, wo das Licht ist, also haben Sie eine hohe Unsicherheit, in welche Richtung es geht).

Ob ein Spalt "schmal" ist oder nicht, hängt von der Wellenlänge ab. Wenn Sie jemandem in einem anderen Raum zuhören und die Tür offen ist, ist die Türöffnung im Vergleich zur Wellenlänge von Schallwellen "klein", aber im Vergleich zur Wellenlänge des sichtbaren Lichts riesig, sodass die Menge der Lichtbeugung unbedeutend ist. Wifi verwendet EM-Wellen mit einer Wellenlänge, die viel größer ist als die von sichtbarem Licht, sodass es viel besser um Ecken gehen kann.

Wie kommt es, dass das Licht, das auf meine Augen trifft, nicht in gleicher Weise hinter Gegenständen und um Ecken gewandert ist?

Im Allgemeinen ist die Amplitude für direkte Pfade höher als die für gebogene Pfade. Es gibt viele verschiedene gebogene Pfade und sie können sehr unterschiedliche Phasen haben und sich so destruktiv gegenseitig stören. Es gibt nur einen direkten Pfad und benachbarte Pfade haben Phasen, die nahezu gleich sind, und haben daher konstruktive Interferenzen.

So kann man sich das vorstellen: Nur das Licht ganz nah am Rand wird um den Rand gebogen. Und "wirklich nah" bedeutet "ungefähr die Wellenlänge des Lichts", die, wie andere betont haben, winzig ist. Das bedeutet zweierlei.

1. Die Lichtmenge , die um die Ecke gebeugt wird, ist winzig, da nur das Licht so nah am Rand war. Sie können es also nicht wirklich sehen, weil es einfach nicht genug Licht ist. (Oder vielleicht kannst du beim Experiment mit dem Messer ein bisschen in einem dunklen Raum sein, aber in diesem Fall brauchst du dafür, dass der Raum dunkel ist.)

2. Das gesamte Licht, das um die Ecke zu Ihnen gebeugt wird, kommt von diesem winzigen Streifen, sodass Sie kein Bild von dem erhalten, was sich hinter der Wand befindet, sondern nur einen unwesentlich helleren Rand der Wand. Das Wichtigste beim Sehen eines Bildes ist, dass Licht aus verschiedenen Richtungen in Ihren Augapfel eintritt, und die Kante der Wand bedeutet, dass die einzige Richtungsänderung des gebeugten Lichts nach oben und unten erfolgt. Aber auch hier kann man es sowieso nicht sehen, weil es zu wenig davon gibt.

• Kann Licht im leeren Raum die Richtung ändern, indem es mit sich selbst interagiert?

Nein, genau wie Wasserwellen, Lichtwellen gehen sie durcheinander, summieren sich im Kreuzungsbereich (=Interferenz) und kommen wieder heraus, wenn sie hereingekommen sind. Aber Licht biegt sich an Ecken. Im tieferen Sinne interagiert Licht nach der Huygens- Optik mit sich selbst (eine Welle ist eine Summe von Punkten wie Oszillatoren) und erzeugt daher Wellen. Und wenn Licht nicht mit seinem Nachbarlicht interagieren kann, weil es eine Ecke gibt, dann biegt sich die Welle (dieser Effekt ist auch bei Wasserwellen zu sehen).

• Wie kommt es, dass das Licht, das auf meine Augen trifft, nicht gleichermaßen hinter Gegenständen und um Ecken gewandert ist?

Weil der Effekt klein ist, aber historisch mit sichtbarem Licht von arago/poisson demonstriert wurde