Scientia

Astăzi a doua parte a articolului dedicat explicării teoriei electrodinamicii cuantice, QED. Aflaţi de ce lumina se reflectă sub culori diferite pe pelicule de ţiţei de la suprafaţa apei, modul în care lumina se reflectă pe suprafaţa unei oglinzi ori de ce apar reflexii iridescente pe suprafaţa unui CD (video inclus).

Citiţi şi prima parte a seriei dedicate electrodinamicii cuantice - QED
QED - video - prima parte

CONŢINUTUL ARTICOLULUI

De ce lumina se reflectă sub culori diferite pe
peliculele subţiri de ţiţei de la suprafaţa apei?
... QED - video - partea a doua
Reflexia totală
Reţele de difracţie

DE CE LUMINA SE REFLECTĂ SUB CULORI DIFERITE PE PELICULELE SUBŢIRI DE ŢIŢEI DE LA SUPRAFAŢA APEI?

Dacă repetăm experimentul prezentat în prima parte folosind fotoni de lungimi de undă corespunzătoare altor culori, obţinem rezultate similare. În funcţie de grosimea stratului de sticlă utilizat, vom obţine cicluri repetitive ale valorilor probabilităţii de reflexie, cu valori cuprinse între 0% şi 16% şi înapoi către 0 procente. Apare şi o diferenţă, dată de faptul că acul cronometrului se roteşte cu viteze diferite pentru fiecare culoare a luminii folosite, astfel că grosimea sticlei pentru care probabilitatea de reflexie este de 0% sau 16% este diferită de la o culoare la alta.

Astfel se explică varietatea de nuanţe ce pot fi observate când lumina este reflectată la contactul cu o peliculă subţire de ţiţei de pe suprafaţa unei bălţi. Stratul subţire de petrol nu are o grosime uniformă, astfel că diferite secţiuni ale peliculei au exact grosimea necesară reflexiei culorii roşu, albastru ori verde. Aşadar, toate culorile curcubeului pot fi văzute datorită reflexiei luminii la nivelul diferitelor zone ale peliculei.

Reflexie la suprafaţa unei pelicule de petrol

REFLEXIA TOTALĂ

În continuare vom înlocui sticla cu o oglindă. Vom muta sursa de lumină de o parte a oglinzii, iar de cealaltă parte vom poziţiona fotomultiplicatorul. Vom poziţiona şi un ecran în mijloc, astfel încât fotonii să nu poată ajunge direct dinspre sursă spre fotomultiplicator, ci doar în urma reflexiei la nivelul suprafeţei oglinzii.

Experienţa de zi cu zi ne sugerează că fotonii vor ricoşa la contactul cu centrul oglinzii deoarece în acea zonă unghiul de incidenţă este egal cu unghiul de reflexie. Mai mult, intuiţia ne indică drept evident faptul că zonele dinspre capetele oglinzii nu au nimic de-a face cu fenomenul de reflexie care are loc. Ceea ce ne aduce la întrebarea din start, legată de "inteligenţa luminii". Cum e posibil ca lumina să "ştie" că ar trebui fi să urmeze această rută unică, din moment ce multe altele sunt posibile?

Pentru lămurire, vom analiza ideea conform căreia lumina parcurge "fiecare drum posibil" pentru a vedea dacă ne poate conduce la un rezultat corect. Să începem cu faptul că probabilitatea de reflexie a luminii are aceeaşi valoare în fiecare punct al oglinzii. Ceea ce înseamnă că atunci când vom desena săgeţile corespunzătoare, toate vor fi de aceeaşi lungime. Să simplificăm problema luând în considerare doar 15 căi reprezentative, distribuite uniform şi la distanţe egale de-a lungul oglinzii.

Căile corespunzătoare reflexiei la capetele oglinzii sunt cele mai lungi. În plus, diferenţa de lungime între un drum şi următorul (din succesiunea de 15 rute alese) este maximă spre capetele oglinzii, astfel că săgeţile adiacente vor diferi din ce în ce mai mult, ca orientare, de la o cale la următoarea. Primele patru vor arăta ca în figura de mai jos:

Cele patru săgeţi din stânga descriu primele patru rute posibile

Cu cât ne apropiem de centru, drumurile parcurse sunt din ce în ce mai scurte, iar diferenţele lungimile a două rute consecutive devin mult mai mici. Săgeţile - corespunzătoare pentru două rute adiacente - se rotesc suplimentar din ce în ce mai puţin. Următoarele şapte săgeţi vor arăta astfel:

Cele 7 săgeţi din zona de mijloc descriu rutele centrale

Săgeţile corespunzătoare drumurilor ce trec prin capătul din dreapta al oglinzii sunt identice cu cele corespunzătoare drumurilor similare de la capătul din stânga al oglinzii. Să unim săgeţile de la vârful celei dintâi spre capătul următoarei ş.a.m.d., pentru a construi în cele din urmă săgeata-rezultat.

Ce constatăm?

În primul rând, capetele oglinzii nu sunt importante. Deoarece spre marginile oglinzii timpii (deci orientarea săgeţilor) sunt mult diferiţi de la o rută la următoarea, săgeţile din aceste zone evoluează în spirală. Dacă am elimina capetele oglinzii, rezultatul final nu s-ar modifica prea mult. Asta în timp ce rutele corespunzătoare zonei centrale a oglinzii contribuie în foarte mare măsură la forma săgeţii-rezultat. În această zonă timpul de parcurgere a rutei este minim; aici unghiul de incidenţă este (aproximativ) egal cu unghiul de reflexie. Acesta este motivul pentru care trece neobservată eroarea comisă atunci când se afirmă că lumina se reflectă doar la nivelul punctului din mijlocul oglinzii.

REŢELE DE DIFRACŢIE

Ne propunem în continuare să verificăm experimental faptul că în realitate reflexia se produce pe toată suprafaţa oglinzii. Vom elimina părţile de mijloc şi din dreapta ale oglinzii, rămânând doar cu această bucată din stânga.

Secţiunea din stânga a oglinzii - folosită pentru a valida
ideea reflexiei pe toată suprafaţa acesteia

Apoi să forţăm săgeţile corespunzătoare drumurilor posibil de parcurs prin stânga să aibă aproximativ aceeaşi orientare în loc de a fi îndreptate în toate direcţiile. Acest lucru poate fi realizat urmărind viteza de rotaţie a acului cronometrului şi înlăturând acele zone ale oglinzii la nivelul cărora apar săgeţile orientate spre stânga. Când însumăm săgeţile, săgeata rezultat va avea o lungime apreciabilă. Ceea ce înseamnă că ar trebui să obţinem o reflexie puternică pe suprafaţa oglinzii astfel obţinute.

Chiar se întâmplă acest lucru în realitate?

Da, se întâmplă întocmai, iar acest tip de oglindă poartă numele de reţea de difracţie şi funcţionează perfect în contextul experimentului nostru. Din moment ce acul cronometrului se roteşte cu viteze diferite pentru culori distincte, intervalul dinte fantele reţelei se schimbă pentru obţinerea efectului dorit la folosirea fotonilor corespunzători diferitelor culori. În loc să modificăm intervalul, putem însă muta fotomultiplicatorul pe direcţia sus-jos. Schimbarea unghiului duce la acelaşi rezultat care ar fi obţinut prin modificarea intervalului dintre fantele reţelei  de difracţie. Din acest motiv canelurile de pe suprafaţa unui CD reflectă lumină de culori diferite sub unghiuri diferite.

Canelurile de pe suprafaţa unui CD pot acţiona asemenea
unei reţele de difracţie, producând reflexii iridescente

În concluzie, reţeaua de difracţie demonstrează faptul că în realitate lumina se reflectă de pe toată suprafaţa oglinzii. Se pare deci că lumina nu este tocmai "inteligentă"!

Reţeaua de difracţie improvizată în cadrul ultimului experiment

Sfârşitul părţii a doua...

Notă: articolul de mai sus este adaptarea textului folosit în film.
Traducerea: Scientia.ro.
Credit: www.cassiopeiaproject.com.

---

Adaugă acest articol la site-urile tale favorite de Social Bookmarking! Mulţumim!