Свет

Как известно, подавляющую долю информации об окружающем мире человек получает визуально. Эта инфомация заключена в свете, который мы воспринимаем. Яркость света и цвет знакомы всем, но на самом деле, у света есть и много других характеристик. Вот небольшой их обзорчик.

Интенсивность

Интенсивность света -- это то, что мы в быту обычно называем яркостью. Большая интенсивность -- яркий свет, малая интенсивность -- тусклый свет. В глазу человека и других высокоразвитых животных есть рецепторы, реагирующие на свет и измеряющие его интенсивность.

На самом деле, на научном языке яркость -- это нечто иное, чем интенсивность. Яркость -- это видимая хактеристика источника света; ее можно вычислить как интенсивность света поделить на видимый телесный угол излучающего тела. Если, например, удвоить расстояние от Земли до Солнца, то интенсивность солнечного излучения упадет в 4 раза, но и видимый телесный угол (т.е. по сути угловой размер в квадрате) тоже уменьшится в 4 раза. В результате яркость Солнца (т.е. количество видимого света с маленькой угловой области видимой поверхности Солнца) не изменится.

Это определение яркости может показаться искусственным, и чтоб его "оправдать", я рекомендую посмотреть днем через бинокли с одинаковой светосилой, но разным увеличением. Вы увидите, что в случае меньшего увеличения картинка значительно ярче, хотя количество света, пойманного биноклями одинаковое. Можно сказать, что "научная" яркость -- это яркость изображения на сетчатке глаза.

Частота

Свет -- это электромагнитная волна, и поэтому у нее есть частота колебаний. Частоту колебаний световой волны мы воспринимаем как цвет (а точнее, как чистый цвет). Хотя частота колебаний связана с длиной световой волны, но за восприятие цвета отвечает именно частота. Например, у света, идущего в воде, длина световой волны уменьшается, но частота не изменяется, и никакого смещения цветом при взгляде под водой не происходит. (Впрочем, этот пример не совсем честный, т.е. длина волны в глазу, непосредственно перед сетчаткой не зависит от того, где вы находитесь -- в воздухе или под водой.)

Цветовое зрение у животных уже распространено не так широко. В процессе эволюции оно улучшалось и ухудшалось, терялось и восстанавливалось, см. например популярную статью Обоняние и цветное зрение в эволюции млекопитающих развивались в противофазе. Вообще, восприятие света разными животными -- очень большая тема. Здесь я не буду ее касаться, дам только ссылку на занимательную подборку. Правда, я не проверял, насколько все там достоверно. :)

Есть конечно и много разных сортов электромагнитных волн за пределами оптического диапазона, но не будем на них останавливаться.

Спектральное распределение

Цветовое зрение -- это зачатки спектрального анализа. Свет с одной частотой (монохроматический свет) встречается в природе редко, обычно есть смесь цветов, т.е. свет имеет некоторое спектральное распределение. Это распределение может иметь очень сложный вид, а цветовое зрение передает спектр очень упрощенно -- в виде трех "проекций" (если зрение трихроматическое). Впрочем, у некоторых животных цветное зрение более богатое, чем у человека.

Иногда на этом можно "играть". Например, в вашем мониторе нет желтых пикселов; вы видите желтый свет, когда горят одновременно красный и зеленый. Т.е. два сильно разных спектральных распределение (первое -- с правильно подобранными пиками на красном и зеленом, второе -- с единственным пиком на желтом) воспринмаются глазом одинаково.

В принципе, можно представить себе даже такой способ криптографии, когда человек видит на листе одноцветный фон, но на самом деле там есть текст, написанный чернилами с другим спектральным распределением. Впрочем, наверно такая криптография будет очень нестойкой -- достаточно взять призму, и обман раскроется.

Кстати, те, кто носит сильнофокусные очки, наверняка замечали: если взглянуть на небольшой источник яркого света (например, уличный фонарь) косо, "краем очков", то он распадется в спектр, и в нем можно выделять отдельные линии излучения. Это, по-видимому, единственное преимущество людей с плохим зрением :)

Кстати, исторически квантовая механика постепенно выросла из необходимости объяснения данных спектрального анализа разных веществ.

Поляризация

Свет -- это поперечная волна, т.е. электрическое (и магнитное) поле в ней колеблется в поперечной плоскости. Электрическое поле -- это вектор, поэтому есть разные варианты колебаний в зависимости от конкретного направления. Эти разные варианты и называются поляризацией.

Обычно упоминают три сорта поляризации: линейная, круговая (циркулярная) и эллиптическая. В физике все эти типы описываются тремя числами -- параметрами Стокса. Неполяризванный свет -- это на самом деле беспорядочная смесь разных типов поляризации без какого-либо предпочтения какой-то одной поляризации.


Поляризация света (особенно, линейная) легко возникает в природе при отражении. Этим пользуются фотографы, подавляя блики с помощью поляризационных фильтров, а также некоторые виды животных. Поляризация света активно используется в астрофизике (см. новость про поляризацию реликтового излучения).

Если световая волна не плоская, а имеет вид сфокусированного светового пучка, то тут открываются новые возможности для поляризации. Можно создать радиально-поляризованный свет (см. рисунок), продольно поляризованный свет, и вообще добиться полного трехмерного контроля над вектором электрического поля в фокусе луча.

Когерентность

Когерентность света -- это синхронность колебания световой волны в разных точках пространства. Вообще говоря, обычный свет -- это просто хаотическое наложение друг на друга отдельных, никак не скоррелированных друг с другом фотонов. Из-за этого фаза световой волны в разных точках пляшет по-разному, и поэтому обычный свет некогерентен. А вот лазерный свет отличается высокой степенью когерентности по всему лучу, как в поперечном, так и в продольном направлении.

Вроде бы, в живой природе когерентный свет не используется. Интересно, можно ли придумать ситуации, при которых организмам было бы выгодно развивать у себя вИдение когерентности света?

Квантовая запутанность фотонов

Квантовая запутанность двух фотонов -- это когда один фотон "в курсе", в каком состоянии находится второй фотон, хотя прямого взаимодействия между ними после момента создания не было. Без квантовой механики это, по-хорошему, не объяснить. :)

Фотоны в запутанном состоянии могут применяться как по отдельности (например, в опытах по квантовой телепортации или проверке положений квантовой механики, см. популярную статью Страсть на расстоянии), так и вместе (как в многофотонной дифракции).

Запутать, кстати, можно не только отдельные фотоны, но и световые лучи целиком. Буквально на днях в журнале Physical Review Letters появилась статья, в которой рассказывается об эксперименте по запутыванию двух световых лучей с частотой, отличающейся ровно в два раза.

Орбитальный угловой момент


У светового луча может быть ненулевой орбитальный угловой момент относительно оси луча. То есть, луч не просто летит вперед, но еще и словно вращается. Это можно представить себе так, словно отдельные "лучики" сходятся не прямо на ось луча, а как бы по касательной, например, чуть правее. Поверхности постоянной фазы в этом случае -- не плоскости, а как бы винтовые поверхности (см. рисунок). Вот страничка про исследования такого света и обзор про применения фотонов с орбитальным угловыми моментом в астрофизике.