Si la luz se propaga como ondas, ¿por qué no puedo ver alrededor de las esquinas?

Question

Conozco dos descripciones diferentes de cómo se propaga la luz en el espacio; (1) como partículas viajando y reflejándose en líneas rectas. Y (2) como ondas que se propagan e interfieren en el espacio. Y que ambas descripciones son verdaderas.

Me parece que el escenario (1) es cómo percibo el mundo. Puedo ver cosas desde las cuales la luz se refleja en línea recta hacia mis ojos, pero no puedo ver detrás de objetos opacos, alrededor de esquinas, etc.

Pero si el escenario (2) es una descripción igualmente o más correcta de cómo se comporta la luz, propagándose como ondas, llenando el espacio, interfiriendo, etc.: ¿cómo es posible que la luz que alcanza mis ojos no sea igualmente probable de haber viajado desde detrás de objetos y alrededor de esquinas? Es decir, si esta es la descripción verdadera, todo lo que esperaría ver sería un brillo intenso, sin manera de saber de dónde proviene la luz que llega a mis ojos.

Cualquier respuesta esclarecedora ¡(zasca!) será muy apreciada.

Editar: tal vez una forma más clara de plantear mi pregunta es: ¿puede la luz cambiar de dirección en el espacio vacío interactuando consigo misma?

Answer 1

Otras respuestas ya mencionan que la luz visible tiene una longitud de onda muy corta, por lo que normalmente no vemos alrededor de las esquinas al igual que escuchamos sonidos alrededor de las esquinas. ¡Y eso es algo bueno, de lo contrario veríamos un mundo bastante desordenado a nuestro alrededor!

Pero realmente podemos ver alrededor de las esquinas, y mirar dentro de los objetos, si usamos femto-fotografía, una técnica que puede "crear videos de cámara lenta de la luz en movimiento". Recomiendo a todos ver esta increíble charla TED: Imágenes a un billón de cuadros por segundo. Lograron publicar un artículo en Nature Communications, Recuperando forma tridimensional alrededor de una esquina usando imágenes de tiempo de vuelo ultra rápido, e incluso Nature produjo una animación genial, Cómo ver alrededor de las esquinas. La técnica es tan sorprendente que algunas imágenes presentan ondas de difracción en la dirección incorrecta debido a la distorsión del tiempo.

Otra forma muy, muy genial, aunque principalmente teórica, de ver alrededor de los objetos es el espejo de conjugación de fase (ver también este y este artículo en Scientific American), una técnica que se basa en los extraños efectos de la óptica no lineal para producir una onda conjugada que auto-compensa la distorsión de fase y el enfoque, pero hasta donde yo sé, hasta ahora solo se han construido espejos muy pequeños y limitados en frecuencia.

La luz no interactúa consigo misma, desde la electrodinámica cuántica sabemos que los fotones no pueden acoplarse entre sí ya que son bosones sin masa. Lo que sucede en un experimento de difracción de doble rendija es que el fotón interactúa consigo mismo, o mejor dicho, las posibles trayectorias a través de las rendijas interfieren entre sí, como lo demuestran experimentos en los cuales la fuente de luz es tan tenue que solo una sola partícula cruza las rendijas a la vez, y aún así el patrón de difracción persiste (ver aquí y aquí).

Answer 2

Toda la luz se doblará (difractará) alrededor de esquinas y obstáculos.

La cantidad de doblado depende de su longitud de onda (o frecuencia). Las longitudes de onda más largas (= menor frecuencia) difractan mucho más, las longitudes de onda más cortas (= mayor frecuencia) difractan mucho menos.

Por ejemplo, los rayos X difractarían mucho menos alrededor de un obstáculo que la luz visible, pero todavía difractarán - de hecho, ese es un método utilizado para investigar la estructura de cristales y moléculas grandes: colocarlos en el camino de algunos rayos X y observar los patrones de difracción que crea.

El problema que mencionas es que la luz visible es una banda bastante pequeña de longitudes de onda, todas bastante cortas en comparación con las dimensiones de los objetos cotidianos. Por lo tanto, no verás grandes cantidades de doblado, como sugiere tu pregunta, ni un gran desenfoque alrededor de cada esquina.

Si haces lo mismo con longitudes de onda más largas, como ondas de radio o WiFi, sí, se doblan muy bien alrededor de las esquinas. De hecho, pueden doblarse alrededor de la curvatura de la tierra también.

Esto se debe a que:

• longitudes de onda de luz visible: aproximadamente 1/1000 de milímetro (mucho más pequeñas que la escala de objetos cotidianos)
• longitudes de onda de radio: aproximadamente 0.5 m a 10 m (comparables a objetos y edificios cotidianos)

Puedes ver fácilmente a la luz visible difractarse alrededor de objetos. Hay muchos experimentos y situaciones donde es evidente a simple vista. Pero en su mayoría, su longitud de onda es pequeña en comparación con los objetos cotidianos, por lo que generalmente no notamos la pequeña cantidad de difracción que ocurre.

Answer 3

La luz junto a la esquina difractará alrededor de la esquina. La luz un poco más lejos de la esquina también difractará, aunque no tanto. Para una rendija estrecha, solo hay una pequeña cantidad de luz difractante, pero a medida que la rendija se hace más grande, hay más lugares para difractarse. Podrías pensar que eso significaría más luz difractante, pero toda esta difracción da lugar a interferencia destructiva, por lo que cuanto más ancho sea el espacio junto a la esquina, más estrecho será el haz de luz difractada (esto está relacionado con el principio de incertidumbre: si tienes una rendija muy estrecha, tienes poca incertidumbre sobre dónde está la luz, por lo que tienes mucha incertidumbre sobre en qué dirección va).

Si una rendija es "estrecha" o no es relativo a la longitud de onda. Si estás escuchando a alguien en otra habitación y la puerta está abierta, la entrada es "pequeña" en comparación con la longitud de onda de las ondas sonoras, pero es enorme en comparación con la longitud de onda de la luz visible, por lo que la cantidad de difracción de luz es insignificante. El Wifi utiliza ondas electromagnéticas con una longitud de onda mucho mayor que la de la luz visible, por lo que puede doblar esquinas mucho mejor.

¿Por qué la luz que llega a mis ojos no es igualmente probable que haya viajado desde detrás de objetos y alrededor de esquinas?

En general, la amplitud de los caminos directos es mayor que la de los caminos curvados. Hay muchos caminos curvados diferentes y pueden tener fases muy variables y así interferir destructivamente entre sí. Solo hay un camino directo y los caminos cercanos tendrán fases que son casi iguales, por lo que tendrán interferencia constructiva.

Answer 4

Aquí hay una forma de pensarlo: Solo la luz realmente cerca del borde se dobla alrededor del borde. Y "realmente cerca" significa "aproximadamente la longitud de onda de la luz", que, como otros han señalado, es diminuta. Esto significa dos cosas.

1. La cantidad de luz que se dobla alrededor de la esquina es solo diminuta, ya que es solo la luz que estaba tan cerca del borde. Por lo tanto, no puedes realmente verla porque simplemente no es suficiente luz. (O tal vez puedes ver un poco en una habitación oscura en el experimento con el cuchillo, pero en ese caso es por eso que necesitas que la habitación esté oscura.)

2. Toda la luz que se dobla alrededor de la esquina para ti proviene de esa pequeña franja, por lo que no obtienes una imagen de lo que está detrás de la pared, solo un borde de la pared ligeramente más brillante. Lo importante para ver una imagen es que la luz entra en tu globo ocular desde diferentes direcciones, y el borde de la pared significa que la única variación direccional de la luz difractada es arriba y abajo. Pero nuevamente, de todos modos no puedes verlo porque hay muy poca luz.

Answer 5

• ¿Puede la luz cambiar de dirección en el espacio vacío al interactuar consigo misma?

No, al igual que las ondas de agua, las ondas de luz pasan a través unas de otras, se suman en la región de cruce ( = interferencia) y salen tal como entraron. Pero la luz sí se dobla en las esquinas. En un sentido más profundo, la luz sí interactúa consigo misma según la óptica de Huygens (una onda es una suma de osciladores parecidos a puntos), y por eso crea ondas. Y cuando la luz no puede interactuar con la luz vecina porque hay una esquina, entonces la onda se dobla (ese efecto también se ve en las olas de agua).

• ¿Por qué no es igualmente probable que la luz que llega a mis ojos haya viajado desde detrás de objetos y alrededor de esquinas?

Porque el efecto es pequeño pero demostrado históricamente con luz visible por arago/poisson