¿Cómo la luz es capaz de elegir el camino a seguir?

Question

Soy un estudiante de la escuela STEM (10º grado), y estoy estudiando óptica y luz en Física. Estaba estudiando el principio de Fermat que dice:

El camino que recorre un rayo de luz entre dos puntos es el camino que puede recorrer en el menor tiempo posible.

Me pregunté, ¿cómo se supone que la luz sabe qué camino tomar, en tan poco tiempo (3*10^8 m/s), teniendo en cuenta que la luz no tiene masa y cómo sus "átomos y moléculas" se establecen para elegir el menor tiempo? (Perdón por mi inglés, pero el inglés no es mi primer idioma)

Answer 1

Puede explicarlo utilizando el principio de Huygens . básicamente, cada punto al que llega la onda luminosa puede tratarse como origen de una nueva onda esférica, y todas esas ondas se interrelacionan entre sí para crear un camino macroscópico para el rayo de luz. De este modo, la luz comprueba todas las trayectorias vecinas y elige la que es localmente preferible. El efecto es tal que, cuando se mira hacia atrás desde el punto al que ha llegado la onda luminosa, y se intenta determinar desde qué dirección ha venido el rayo y qué camino ha tomado, se ve que ha venido por el camino que le ha permitido llegar al final de forma más rápida. Ten en cuenta que no tiene que ser el mínimo global, sólo local, es decir, que no hay caminos cercanos al elegido que sean más rápidos.

Answer 2

De acuerdo, lo primero es lo primero, la luz no elija el camino del tiempo más corto. Cuando dices "elegir", te refieres a una entidad consciente que escoge un curso determinado entre numerosos cursos. Sin embargo, este no es el caso.

El principio de Fermat puede derivarse del principio de Huygens, o quizás sea una consecuencia del mismo. Ahora bien, para responder a su pregunta: la luz se propaga (/recorre) por el camino de menor tiempo únicamente porque así es como podemos describirla matemáticamente.

Sencillamente, puesto que la mejor manera de describir la difracción (y/o la propagación de la luz) es mediante el Principio de Huygens, hay que aceptar también sus consecuencias matemáticas (una de ellas es el Principio de Fermat). Es decir, hay que aceptar que la luz "elige" el camino de menor tiempo, por definición, para que podamos tener un sistema de óptica consistente. Dicho esto, si resulta, con la ayuda de instrumentos avanzados, que esta descripción de la luz es anómala, entonces abandonaremos obviamente el Principio de Fermat.

Sin embargo, por el momento, basta con decir que la luz toma ese camino de menor distancia únicamente porque así lo hemos definido.

1. El principio de Huygen es la mejor explicación.
2. El principio de Fermat es una consecuencia de (1)
3. Por lo tanto, para tener un sistema consistente, debemos aceptar (2) siempre y cuando no nos enfrentemos a anomalías físicas a causa de ello.

Answer 3

La luz es una onda. En realidad, la luz toma todos los caminos posibles, pero (simplificando) los patrones de onda de la mayoría de estos caminos se cancelan. El camino que queda después de combinar todos los caminos posibles es el más corto.

Conferencias Feynman: Óptica: El principio del tiempo mínimo

Answer 4

Realmente no tengo una respuesta, pero he aquí una analogía.

Cuando se diseñan circuitos digitales, se pueden tener múltiples caminos que la corriente eléctrica puede seguir. Y (con una aproximación razonable) el más corto es el que entrega la señal. Si se corta el más corto, el siguiente camino más corto cuenta.

Al proporcionar múltiples caminos se puede aumentar el rendimiento de los chips utilizables. Si algo va mal en el camino más corto, hay una copia de seguridad con un rendimiento reducido.