在某種條件下,足夠強的風能吹動一束光嗎?
我們平常說的風的本質就是空氣的定向運動。這個問題可以轉化為,移動的氣體分子可以和光發生相互作用嗎?
答案是可以的。
這種情況有很多種,比如常見的瑞利散射是大氣散射太陽光產生的。天空呈現藍色就是因為瑞利散射[1]。
能啊。
一百多年前,斐索做了著名的流水實驗,驗證了介質對光的拖拽效應。
當然空氣的相對摺射率太小了,拖拽效應不如水或固體那樣容易觀察到。
從某種意義上講,如果光動了,那它還真就是被風給吹的。
為什麼這麼說? 我盡量講的通俗些。
先給大家看一個我做實驗前順手拍的小視頻(0.5倍速播放,改了Colormap):
猜一下是什麼?
沒錯,就是被風吹動的光。
準確的講,是被風動的光(激光束)照射在牆面上的樣子。(有沒有聯想到夏天的柏油馬路?)
要知道的幾個眾所周知:
眾所周知1,光在折射率均勻分佈的介質中沿直線傳播。
眾所周知2,風是溫度差引起的流動空氣。
眾所周知3,n=c/v,n是介質的折射率,c是真空中的光速,v是介質中的光速。
眾所周知4,波前就是,一束光最前端的面。 比如平面光束的波前始終在同一個平面上。如下圖:
第一排的戰士們就是波前,而且是平面波的波前。
鋪墊了那麼多,重點來了:
起風前:
一束平面光在靜止的空氣中向前傳播時,由於空間各處的折射率一致(也就是n為常數),波前各點的速度時刻保持一致(c本來就是常數,所以v也就成了常數),這束光將一直以平面波前的形式傳播下去。
就像戰士們昂首挺胸起步前進,
突然,一股妖風刮來:
溫度差引起的流動空氣導致空間各點的折射率分佈不均(n成了一個時間和空間上變化的量)。 由於c是常數, 那麼v也就成了一個時間和空間上變化的量。 這時,原本在同一個平面的波前,會由於各點處的折射率不同而擁有不同的隨時間變化的速度。於是,光束的波前發生了(不再是以前的平面波)。
好比前排戰士中,有的尿急走快了,有的頭暈走慢了,
光束在風中搖曳的越久,波前畸變的就越厲害 (戰士們的隊形越亂),畸變的波前相互幹擾又引起光束強度的變化(看下圖中,戰士們的陣型徹底亂了,密的地方光束強度就強,稀疏的地方光束強度就弱)。原本均勻分佈的光強,變得凌亂騷動起來。於是,就有了開頭的那張動圖。
至此,答案揭曉:風能吹動光。
PS:畸變的波前會嚴重影響成像質量,所以我們要矯正(消除)波前畸變來獲取更清晰的圖像。於是,就有了自適應光學。
風不能吹動光。
但是風能改變介質,或者說是空氣中各種顆粒的分佈。
顆粒的分佈和折射率有關。
下面幾張圖可以用來解釋,
不僅僅是風,包括你手的顫動都能夠影響光的傳播。
這個如果我沒記錯的話,應該和干涉儀(interferometer)有關。
激光有很好的相干性,所以在通過分光器(Beam splitter),一部分光會不通過任何物體(除了空氣)當做reference(應該翻譯成對照物),當另一部分光通過的部分的折射率被改變之後,最後干涉的圖樣就會顯示出turbulence(亂流)一樣的圖片。
Figure 4. Turbulence [1]
通俗的理解就是,
一個左右路口,兩個人,分別向左右跑,到達終點的距離是相同的。
一個人暢通無阻,另一個人在路上被隨機衝出的人羣給擋住了一小會,最後到達的時間和暢通無阻的人不同。
所以他們根據被擋住的時間,可能相撞,可能不相撞,可能撞的部位不同。
也就是
時間的不同,導致光干涉(Interference)的結果不同,因為相位有差別。
所以不僅僅是風,你吹口氣也能看到神奇的效果。
Reference:
[1]https://youtu.be/4tgOyU34D44
思考問題,要先抓住關鍵。風是什麼?光是什麼?風是空氣的流動。光是電磁波。光在不均勻的介質中傳播時,可能會發生散射。所以風有可能使光「動」。不過很多時候看不出來
根據生活經驗,風可以吹走光
這個問題問得很好。答案是吹得動:
1、風能吹動的東西都是通過帶動空氣流動壓力來的,也就是普通的力。所以依靠空氣等介質傳播的東西就能吹得動,比如聲音機械波等等。
2、光不依靠介質傳播,它是電磁波,真空中也能傳播,所以如果在真空中,光只受磁場影響,引力場影響。
但問題來了:
1、真空中沒有傳統的風,只有電磁風暴,所以電磁風暴會干擾光。
2、但如果光在空氣中,其傳播方向是受空氣密度影響的,見有折射反射原理。風會帶動空氣密度發生變化,所以遠距離上來看,風是會干擾到光的,也就是改變光的方向,比如波光粼粼的水面。比如正午拍攝馬路會看到遠景的條紋,這都是空氣流動導致的光的傳播方向的改變。
但也有一個問題:
為什麼我們電吹風吹手電筒的光沒有發現其轉彎?這就涉及到一個量級的問題。短距離傳輸的光,一般不容易受到幹擾,因為空氣的折射率是1.00029,普通吹風機連萬萬分之一也影響不了。
回答:是可以「吹動」的
這個問題的重點在於光傳播的介質,光在真空沿直線傳播,而在介質中宏觀看就是不斷折射傳播的過程。
所以只要介質滿足一定條件,比如是水中或者更極端的光纖中,介質的移動是能很大程度上影響光的傳播的。
比如著名的流水實驗:
1859年,斐索做了一個流水實驗,實驗的目的是為了考察介質的運動對在其中傳播的光速有何影響,從而判斷以太是否被拖曳。
再極端一點要是風吹動了一根光纖,那裡面的光隨隨便便就被「吹動」了。。。
首先呢,
小朋友們跟我唱一首歌,
一閃一閃亮晶晶,
滿天都是小星星。
小星星為什麼會眨眼睛呢?
星星離我們很遠很遠,
是不會動的,
大氣層的氣流導致折射率不一樣。
小星星就開始眨眼睛了。
光的本質也可以算是電磁波,在介質中傳播時由於介質本身的電磁作用,對光的傳播會有一定的影響。
斐索實驗的結果也符合菲涅耳的以太拖拽假設。
而我們平常說的風,可以理解為空氣相對地面的水平運動,而空氣也可以理解為一種介質。
所以風其實就和流水一樣,它們都能影響光的傳播。
能,最明顯的就是大氣湍流對望遠鏡成像的影響,為此發明瞭自適應系統。
有個趣味實驗,把激光掰彎。實驗這樣的,把激光頭放水管裏打開,讓激光順水流方向照射,當水流流出水管向下流去時,激光也束完美的隨水流一起彎曲。這個實驗倒不是光被水沖彎了,我想說的是,光肯定要受介質影響。
可以,但是肉眼看不出來的。
強勁又細小的風束,和周圍空氣有比較大的壓強差,兩者光折射率有微小差別。最極端例子,風束中壓強降到0變成真空(當然實際不可能),這時候折射率差別達到最大值,0.00029,光束通過會有最大折射角度,然而肉眼依然看不出來,用儀器也不好測。
總之一句話,可行而不可見。
P.S.
上述結論針對米級別的範圍,公里級別甚至百公里級別,這種折射會有明顯的效果。
可以,也不可以。
首先,從相對性上來說是可以的。因為風是空氣的流動,空氣由各種氣體組成,其中還有部分塵埃,這些物質都會對光產生阻擋、散射等效果,所以風既然是空氣的流動,也必然能對光產生些許影響。
其次,從絕對上來說風是吹不動光的。因為光可以不依靠空氣傳播,比如真空中的光其實傳播起來更有效率。既然光可以不依靠空氣傳播,那麼空氣的擾動對光產生的影響只是一種「假象」。
理論上大道一定程度是可以被觀察的
可以的!科學家做過一個實驗,光在極寒條件下,會變成液體!
大氣抖動算不算?
風將光傳播媒質吹動,光能隨媒質運動,所以說能
表面上看是可以的,因為風可改變空氣的性質,取極端情況更容易理解,比如風把空氣中氣體全部吹沒了,空氣的折射率就會改變,從而會使本就光線的曲率改變。又因為風的強度時刻在變,所以光線路徑的曲率也時刻在改變,造成的效果就是光被風吹動了。
但是究其本質,並不是風吹動的。光的最小單元是光子,如果要深究的話就可能涉及到分子和量子層面的問題了,就太複雜了。(其實是我也不會,哈哈哈)
如果空氣是光的介質就可以……但光傳播沒有介質 前人們一開始假想了以太作為其介質 所以上世紀有個利用光的干涉性質想證明以太存在的實驗 結果不但沒有證明以太存在反而說明它不存在