Рефракция и дифракция на светлината

Може би чуваш хората да говорят за постулата на Айнщайн за скоростта на светлината и винаги се случва едно и също. Повечето хора изпускат, че това е вярно само във вакуум – когато няма молекули въздух или вода, които да я забавят. Но когато светлината се дижи през по-позната ни среда като въздуха, тя се движи по-бавно поради взаимодействието на отделните фотони с молекулите на средата. Като цяло, колкото по-голяма оптична плътност има средата, толкова по-бавно ще се движи светлината. Какво се случва със светлината, когато премине от една среда към друга?

Представи си, че ти и приятелите ти сте на плажа. Решавате да поплувате заедно, така че се хващате за ръце и приближавате водата в редица. Когато вървите във водата, всички сте по-бавни, защото водата има по-голямо съпротивление, отколкото въздухът. Представи си, че редицата приближава водата под ъгъл спрямо брега. Първият човек в края на редицата ще влезе пръв във водата и ще забави скоростта си, после следващият до него, после следващият, докато всички влязат във водата. Понеже хората в единия край на редицата се забавиха преди тези в другия край, редицата се пречупва, като хората, които още са на плажа, са под различен ъгъл спрямо края на водата, в сравнение с хората, които вече са влезли в морето.

Можеш да кажеш, че водата пречупва пътя на всеки човек по посока на нормалата, която е перпендикулярна на бреговата линия, тъй като редицата от хора, които още са на брега, е извита по-надалеч от линията на водата в сравнение с тези, които са влезли във водата.

Същото нещо се случва със светлинен лъч, когато той премине от въздух към вода, или от всяка бърза среда към бавна среда: той се пречупва към нормалата.

Друг начин да разсъждаваме е да си представим, че ти и приятелят ти се състезавате да достигнете до лодка в средата на езерото. Трябва да преминете през плажа и после през водата.

Приятелят ти решава да премине направо към лодката и бяга надолу по плажа. Ти обаче знаеш, че бягаш по-бързо, отколкото плуваш, затова се насочваш към водата под такъв ъгъл, че да бягаш по-дълго, отколкото ще плуваш.

Естествено стратегията ти се отплаща и стигаш до лодката преди приятеля си. Приятелят ти избра най-краткия път от гледна точка на разстоянието, но ти отчете разликата в скоростта на придвижване във всяка среда и избра пътя, който отнема по-малко време за достигане до целта.

Светлината прави точно това, когато преминава от една среда в друга – поема по пътя, по който придвижването ѝ отнема най-малко време, когато отчетеш разликата в скоростта на движение в различните среди.

Например представи си, че гледаш през прозореца. Имаш въздух, стъкло и после пак въздух. Стъклото е по-плътно от въздуха, така че светлината, идваща отвън, преминава от бърза среда през бавна среда и после отново през бърза среда. За да достигне до окото ти, светлината отвън ще премине по този път, който отнема най-кратко време

Можеш също да видиш, че правилото, което разгледахме по-рано, пак е приложимо: когато светлината навлезе в стъклото, лъчът се пречупва под ъгъл, по-близък до този на нормалата. Когато излезе от стъклото, ъгълът на пречупване се отдалечава от този на нормалата и и се връща към същата големина като преди да навлезе в стъклото.

Да кажем, че разглеждаш аквариум, пълен догоре с вода, който отгоре и отстрани има стъклени стени. Ако се отдалечиш малко по-назад, можеш да видиш един и същи скат отгоре на аквариума и отстрани на аквариума.

Понеже виждаш светлината, преминаваща през стъклото в две различни точки, виждаш две изображения на един и същи скат.