Принцип Гюйгенса – Френеля - Huygens–Fresnel principle

Преломление волн по Гюйгенсу
Дифракция волн по методу Гюйгенса и Френеля.

Принцип Гюйгенса – Френеля (названный в честь голландского физика Кристиана Гюйгенса и французского физика Огюстена-Жана Френеля ) представляет собой метод анализа, применяемый к проблемам распространения волн как в пределе дальнего поля, так и в дифракции в ближнем поле, а также отражении . В нем говорится, что каждая точка волнового фронта сама по себе является источником сферических всплесков, а вторичные вейвлеты, исходящие из разных точек, взаимно интерферируют. Сумма этих сферических всплесков образует волновой фронт.

История

Дифракция плоской волны при ширине щели, равной длине волны

В 1678 году Гюйгенс предположил, что каждая точка, до которой достигает световое возмущение, становится источником сферической волны; сумма этих вторичных волн определяет форму волны в любой последующий момент времени. Он предположил, что вторичные волны распространяются только в «прямом» направлении, и в теории не объясняется, почему это так. Он смог дать качественное объяснение распространения линейных и сферических волн и вывести законы отражения и преломления, используя этот принцип, но не смог объяснить отклонения от прямолинейного распространения, которые происходят, когда свет встречается с краями, отверстиями и экранами, широко известными. как дифракционные эффекты. Разрешение этой ошибки было окончательно объяснено Дэвидом А.Б. Миллером в 1991 году. Разрешение состоит в том, что источником является диполь (а не монополь, предполагаемый Гюйгенсом), который сокращается в отраженном направлении.

В 1818 году Френель показал, что принцип Гюйгенса вместе с его собственным принципом интерференции может объяснить как прямолинейное распространение света, так и эффекты дифракции. Чтобы получить согласие с экспериментальными результатами, ему пришлось включить дополнительные произвольные предположения о фазе и амплитуде вторичных волн, а также о коэффициенте угла наклона. Эти предположения не имеют очевидного физического основания, но привели к предсказаниям, которые согласуются со многими экспериментальными наблюдениями, включая пятно Пуассона .

Пуассон был членом Французской академии, которая рассматривала работы Френеля. Он использовал теорию Френеля, чтобы предсказать, что яркое пятно должно появиться в центре тени небольшого диска, и сделал из этого вывод, что теория неверна. Однако Араго, другой член комитета, провел эксперимент и показал, что предсказание было верным. (Лайл наблюдал это пятьдесят лет назад.) Это было одно из исследований, которое привело к победе волновой теории света над преобладающей в то время корпускулярной теорией .

В теории и технике антенн переформулировка принципа Гюйгенса – Френеля для излучения источников тока известна как принцип поверхностной эквивалентности .

Принцип Гюйгенса как микроскопическая модель

Принцип Гюйгенса – Френеля обеспечивает разумную основу для понимания и предсказания классического распространения световых волн. Однако у принципа есть ограничения, а именно те же приближения, которые используются для вывода формулы дифракции Кирхгофа и приближения ближнего поля, обусловленные Френелем. Их можно резюмировать тем, что длина волны света намного меньше размеров любых встречающихся оптических компонентов.

Формула дифракции Кирхгофа обеспечивает строгую математическую основу дифракции, основанную на волновом уравнении. Произвольные предположения, сделанные Френелем для получения уравнения Гюйгенса – Френеля, автоматически вытекают из математики этого вывода.

Простой пример работы этого принципа можно увидеть, когда открытый дверной проем соединяет две комнаты, и звук издается в отдаленном углу одной из них. Человек в другой комнате услышит звук, как будто он исходит из дверного проема. Что касается второй комнаты, источником звука является вибрирующий воздух в дверном проеме.

Интерпретации современной физики

Не все эксперты согласны с тем, что принцип Гюйгенса является точным микроскопическим представлением реальности. Например, Мелвин Шварц утверждал, что «принцип Гюйгенса действительно дает правильный ответ, но по неправильным причинам».

Это можно отразить в следующих фактах:

  • Микроскопическая механика создания фотонов и излучения в целом - это, по сути, ускорение электронов.
  • Первоначальный анализ Гюйгенса включал только амплитуды. Он не включает ни фазы, ни волны, распространяющиеся с разными скоростями (из-за дифракции в сплошных средах), и, следовательно, не учитывает интерференцию.
  • Анализ Гюйгенса также не включает поляризацию для света, которая подразумевает векторный потенциал, где вместо этого звуковые волны могут быть описаны с помощью скалярного потенциала, и нет однозначного и естественного перехода между ними.
  • В описании Гюйгенса нет объяснения того, почему мы выбираем только прямую ( запаздывающую волну или прямую огибающую волновых фронтов) по сравнению с распространяющейся назад опережающей волной (обратная огибающая).
  • В приближении Френеля существует концепция нелокального поведения из-за суммы сферических волн с разными фазами, которые исходят из разных точек волнового фронта, а нелокальные теории являются предметом многих споров (например, не являются лоренц-ковариантными). ) и активных исследований.
  • Приближение Френеля можно интерпретировать квантово-вероятностным образом, но неясно, насколько эта сумма состояний (то есть всплесков на волновом фронте) является полным списком состояний, которые имеют физический смысл или представляют собой скорее приближение на общей основе, как в метод линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО).

Принцип Гюйгенса по существу совместим с квантовой теорией поля в приближении дальнего поля , с учетом эффективных полей в центре рассеяния, с учетом малых возмущений , и в том же смысле, что квантовая оптика совместима с классической оптикой , другие интерпретации являются предметом споров. и активные исследования.

Модель Фейнмана, в которой каждая точка воображаемого волнового фронта размером с комнату генерирует вейвлет, также должна интерпретироваться в этих приближениях и в вероятностном контексте, в этом контексте удаленные точки могут вносить лишь минимальный вклад в общую амплитуду вероятности.

Квантовая теория поля не включает никаких микроскопических моделей для создания фотонов, и концепция одиночного фотона также подвергается тщательному анализу на теоретическом уровне.

Математическое выражение принципа

Геометрическая схема для расчета Френеля

Рассмотрим случай, когда точечный источник, расположенный в точке P 0 , колеблется с частотой f . Возмущение можно описать комплексной переменной U 0, известной как комплексная амплитуда . Он создает сферическую волну с длиной волны λ, волновое число k = 2 π / λ . В пределах константы пропорциональности комплексная амплитуда первичной волны в точке Q, расположенной на расстоянии r 0 от P 0, равна:

Обратите внимание, что величина уменьшается обратно пропорционально пройденному расстоянию, а фаза изменяется в k раз пройденного расстояния.

Используя теорию Гюйгенса и принцип суперпозиции волн, комплексная амплитуда в следующей точке P находится путем суммирования вкладов от каждой точки на сфере радиуса r 0 . Чтобы достичь согласия с экспериментальными результатами, Френель обнаружил, что отдельные вклады вторичных волн на сфере должны быть умножены на константу - i / λ и на дополнительный коэффициент наклона K (χ). Первое предположение означает, что вторичные волны колеблются на четверть цикла не в фазе относительно первичной волны, и что величина вторичных волн находится в отношении 1: λ к первичной волне. Он также предположил, что K (χ) имеет максимальное значение, когда χ = 0, и равняется нулю, когда χ = π / 2, где χ - угол между нормалью фронта первичной волны и нормалью фронта вторичной волны. . Комплексная амплитуда в точке P , обусловленная вкладом вторичных волн, тогда определяется как:

где S описывает поверхность сферы, а ˙s расстояние между Q и P .

Френель использовал метод построения зон, чтобы найти приблизительные значения K для различных зон, что позволило ему сделать прогнозы, которые соответствовали экспериментальным результатам. Интегральная теорема Кирхгофа включает в себя основную идею принципа Гюйгенса-Френеля. Кирхгоф показал, что во многих случаях теорему можно приблизить к более простой форме, которая эквивалентна формированию формулировки Френеля.

Для апертурного освещения, состоящего из одной расширяющейся сферической волны, если радиус кривизны волны достаточно велик, Кирхгоф дал следующее выражение для K (χ):

K имеет максимальное значение при χ = 0, как в принципе Гюйгенса – Френеля; однако K не равно нулю при χ = π / 2, а при χ = π.

Выше при выводе K (χ) предполагалось, что дифрагирующее отверстие освещается одиночной сферической волной с достаточно большим радиусом кривизны. Однако этот принцип справедлив и для более общего освещения. Произвольное освещение может быть разложено на совокупность точечных источников, а линейность волнового уравнения может быть использована для применения принципа к каждому точечному источнику индивидуально. K (χ) в общем случае можно выразить как:

В этом случае K удовлетворяет указанным выше условиям (максимальное значение при χ = 0 и ноль при χ = π / 2).

Обобщенный принцип Гюйгенса

Многие книги и ссылки, например, ссылаются на Обобщенный принцип Гюйгенса как на тот, который упоминается Фейнманом в этой публикации.

Фейнман определяет обобщенный принцип следующим образом:

«На самом деле принцип Гюйгенса неверен в оптике. Его заменяет модификация Кирхгофа, которая требует, чтобы на прилегающей поверхности были известны как амплитуда, так и ее производная. Это является следствием того факта, что волновое уравнение в оптике имеет второй порядок во времени. Волновое уравнение квантовой механики имеет первый порядок по времени, поэтому принцип Гюйгенса верен для волн материи, действие заменяет время ».

Это проясняет тот факт, что в данном контексте обобщенный принцип отражает линейность квантовой механики и тот факт, что уравнения квантовой механики имеют первый порядок во времени. Наконец, только в этом случае полностью применим принцип суперпозиции, т.е. волновую функцию в точке P можно разложить как суперпозицию волн на граничной поверхности, окружающей P. Волновые функции можно интерпретировать в обычном квантовомеханическом смысле как плотности вероятности, где формализм функций Грина и пропагаторов . Примечательно, что этот обобщенный принцип применим для «волн материи», а не для световых волн. Фазовый фактор теперь уточняется, как задано действием, и больше не возникает путаницы, почему фазы вейвлетов отличаются от фазы исходной волны и изменены дополнительными параметрами Френеля.

Согласно Грейнеру, обобщенный принцип можно выразить в виде:

Где G - обычная функция Грина, распространяющая во времени волновую функцию . Это описание напоминает и обобщает исходную формулу Френеля классической модели.

Теория Гюйгенса и современная волновая функция фотона

Теория Гюйгенса послужила фундаментальным объяснением волновой природы световой интерференции и получила дальнейшее развитие Френелем и Янгом, но не разрешила полностью все наблюдения, такие как эксперимент с двойной щелью низкой интенсивности, впервые проведенный Дж. И. Тейлором в 1909 году. только в начале и середине 1900-х годов обсуждались квантовые теории, особенно первые дискуссии на Брюссельской конференции 1927 года , где Луи де Бройль выдвинул свою гипотезу де Бройля о том, что фотон управляется волновой функцией. Волновая функция представляет собой совершенно другое объяснение наблюдаемых светлых и темных полос в эксперименте с двумя щелями. В этой концепции фотон следует путем, который является случайным выбором одного из многих возможных путей. Эти возможные пути образуют шаблон: в темных областях фотоны не приземляются, а в ярких областях приземляется много фотонов. Набор возможных путей фотона определяется окружающей средой: точкой происхождения фотона (атомом), щелью и экраном. Волновая функция является решением этой геометрии. Подход волновых функций был дополнительно подтвержден дополнительными экспериментами с двумя щелями в Италии и Японии в 1970-х и 1980-х годах с электронами.

Принцип Гюйгенса и квантовая теория поля

Принцип Гюйгенса можно рассматривать как следствие однородности пространства - пространство едино во всех местах. Любое возмущение, создаваемое в достаточно небольшой области однородного пространства (или в однородной среде), распространяется из этой области во всех геодезических направлениях. Волны, создаваемые этим возмущением, в свою очередь, создают возмущения в других регионах и т. Д. Суперпозиция всех волн приводит к наблюдаемой картине распространения волн.

Однородность пространства фундаментальна для квантовой теории поля (КТП), где волновая функция любого объекта распространяется по всем доступным беспрепятственным путям. При интегрировании по всем возможным путям с фазовым коэффициентом, пропорциональным действию , интерференция волновых функций правильно предсказывает наблюдаемые явления. Каждая точка на волновом фронте действует как источник вторичных вейвлетов, которые распространяются в световом конусе с той же скоростью, что и волна. Новый волновой фронт находится путем построения касательной поверхности к вторичным вейвлетам.

В других пространственных измерениях

В 1900 году Жак Адамар заметил, что принцип Гюйгенса был нарушен, когда число пространственных измерений четное. Исходя из этого, он разработал ряд предположений, которые остаются активной темой исследований. В частности, было обнаружено, что принцип Гюйгенса верен для большого класса однородных пространств, производных от группы Кокстера (так, например, группы Вейля простых алгебр Ли ).

Традиционное утверждение принципа Гюйгенса для Даламбертиана порождает иерархию KdV ; аналогично оператор Дирака порождает иерархию AKNS .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Страттон, Джулиус Адамс: Электромагнитная теория , McGraw-Hill, 1941. (переиздано Wiley - IEEE Press, ISBN  978-0-470-13153-4 ).
  • Б. Б. Бейкер и Е. Т. Копсон, Математическая теория принципа Гюйгенса , Оксфорд, 1939, 1950; AMS Chelsea, 1987.