КЭД – странная теория света и вещества - Ричард Фейнман (2017)

Еще одно световое явление, о котором я хотел бы коротко упомянуть, это мираж. Когда едешь по сильно разогретому солнцем шоссе, то иногда кажется, что видишь на дороге лужи. На самом деле вы видите небо, а в нормальных условиях, если вы видите небо на дороге, то это потому, что дорога покрыта лужами (частичное отражение света от одной поверхности). Но как вы можете увидеть небо на дороге, если на ней нет воды? Надо вам сказать, что свет распространяется в прохладном воздухе медленнее, чем в теплом, и, чтобы увидеть мираж, наблюдатель должен находиться в прохладном воздухе, слой которого расположен над слоем горячего воздуха, непосредственно над поверхностью дороги (см. рис. 31). Каким образом можно смотреть вниз и видеть небо, будет понятно, если найти траекторию наименьшего времени. Займитесь этим дома – об этом занятно подумать и это очень легко выяснить.

Рис. 31. Нахождение самого быстрого пути объясняет, как устроен мираж. В теплом воздухе свет распространяется быстрее, чем в холодном. Кусочек неба представляется лежащим на дороге, так как часть света от неба попадает в глаза, отразившись от дороги. Нам кажется, что мы видим небо на дороге только в одном случае, когда оно отражается в воде. Поэтому мираж кажется нам водой.

В рассмотренных нами примерах (свет отражается от зеркала и свет проходит через воздух, а затем через воду) я сделал некоторое допущение: для простоты я рисовал разные пути распространения света в виде ломаных линий – двух прямых, расположенных под углом друг к другу. Но мы не должны принимать как должное то, что свет распространяется по прямой в однородной среде, например в воде или в воздухе. Даже это объясняется общим принципом квантовой теории: вероятность события вычисляется при помощи сложения стрелок для всех способов, которыми могло произойти событие.

Итак, следующее, что я хочу показать вам, – это как, складывая стрелочки, увидеть, что свет распространяется по прямой. Поместим источник и фотоумножитель соответственно в точках S и Р (см. рис. 32) и рассмотрим все пути – самые разнообразные кривые, по которым свет может попадать из источника в детектор. Потом мы нарисуем маленькую стрелку для каждого пути – и мы хорошо усвоили наш урок!

Для каждой кривой, например для траектории А, существует соседняя траектория, которая намного прямее и ощутимо короче, – т. е. движение по ней занимает намного меньше времени. Но там, где траектории становятся почти прямыми – например в С, соседний, более прямой путь занимает почти такое же время. Вот там, где стрелки складываются, а не взаимно уничтожаются, там и идет свет.

Важно обратить внимание на следующее: единственная стрелка, соответствующая прямолинейной траектории через точку D (рис. 32), не может объяснить вероятности того, что свет попадет из источника в детектор по такому пути. Близкие, почти прямые траектории (через С и Е, например) также играют важную роль. Поэтому свет на самом деле распространяется не только по прямой. Он «обнюхивает» соседние траектории вокруг нее и использует небольшую часть ближайшего пространства. (По этой же причине и зеркало должно быть достаточного размера, чтобы нормально отражать: если зеркало слишком мало для пучка соседних траекторий, свет рассеивается во многих направлениях, куда бы вы ни поставили зеркало.)

Рис. 32. При помощи квантовой теории можно объяснить, почему кажется, что свет распространяется по прямой. Изучение всех возможных траекторий показывает, что для каждой изо-гнутой траектории имеется близлежащая траектория, значительно более короткая, следовательно, требующая меньше времени (и существенно отличающаяся направлением стрелки). Только траектории, близкие к прямой траектории D, имеют стрелки, указывающие почти в одном направлении, так как у них почти одинаковое время. Важны только эти стрелки, так как из них складывается большая результирующая стрелка.