Pola · E ⊥ B ⊥ kierunekOkres · 1,8 fsSiła · głównie od EPolaryzacja · kierunek E
Rozdział 2 / Światło

Pole E i B: fala, która pcha ładunki

Fala świetlna to nie coś, co faluje — to pole, które w każdym punkcie pcha ładunek to w jedną, to w drugą stronę, kilkaset bilionów razy na sekundę. Cała reszta tego tomu to odpowiedź materii na to pchnięcie.

TL;DR
Punkt wyjścia · siła czekająca na ładunek

Pole, które czeka na ładunek

Załóż okulary polaryzacyjne i spójrz na taflę wody albo na mokrą jezdnię w słońcu — olśniewający odblask gaśnie, choć nic w scenie się nie zmieniło. Obróć filtr polaryzacyjny o dziewięćdziesiąt stopni nad ekranem laptopa, a ekran zrobi się czarny. Oba te triki działają, bo światło ma coś, czego promień z rysunku soczewki nigdy nie pokazuje: kierunek, w którym coś w nim drga.

Tym czymś jest pole elektryczne. Warto od razu odróżnić pole od siły, bo to rozróżnienie prowadzi przez cały ten rozdział. Pole E istnieje w danym punkcie przestrzeni niezależnie od tego, czy coś tam jest — to zapisana w przestrzeni gotowość do popchnięcia. Dopiero kiedy w tym punkcie pojawi się ładunek elektryczny, pole ujawnia się jako realna siła:

F = q · E F — siła [N], q — ładunek [C], E — natężenie pola elektrycznego [V/m]. Kierunek siły to kierunek E (dla ładunku ujemnego — kierunek przeciwny).

Fala świetlna to właśnie pole E, które w każdym punkcie przestrzeni oscyluje — rośnie do maksimum w jedną stronę, wraca przez zero, rośnie w drugą, i tak dalej, setki bilionów razy na sekundę. Elektron, który akurat tam się znajdzie — w atomie szkła, w cząsteczce barwnika, w krysztale matrycy — dostaje od tego pola nieustanne szturchnięcia w rytm tej oscylacji. To jedno zdanie jest fundamentem całej reszty tego tomu: każdy kolejny rozdział opisuje, co z takim popychanym elektronem się dzieje i co z tego wynika dla światła, które go mija.

Elektron pod pchnięciem polaschemat, bez rezonansu
25% okresu
położenie równowagi E (chwilowe) elektron (cyan) trzymany w miejscu, popychany przez pole (amber) wychylenie w tym schemacie idzie zgodnie ze zwrotem chwilowego E — dokładny przebieg z bezwładnością i ewentualnym rezonansem: Rozdział 9
25% okresu: pole rośnie ku górze, elektron podąża za nim. Rzeczywiste wychylenie jest o wiele rzędów wielkości mniejsze niż promień atomu — liczba w bloku „Zaawansowane" niżej.

Zwróć uwagę, że nic tu jeszcze nie mówi, dlaczego dany materiał reaguje na to popychanie tak, a nie inaczej — to reszta tomu, poczynając od budowy atomu w Rozdziale 4. Tutaj interesuje nas wyłącznie samo pole: skąd się bierze, jaki ma kształt w przestrzeni i co jeszcze mu towarzyszy.

Geometria fali · E, B i kierunek biegu

Fala płaska: dwa pola naraz, pod kątem prostym

Pole E nie podróżuje samo. Oscylującemu polu elektrycznemu zawsze towarzyszy oscylujące pole magnetyczne, B — a oba są ustawione w przestrzeni w jeden konkretny, sztywny sposób. W fali płaskiej, czyli takiej, jaką z dobrym przybliżeniem jest promień słońca padający na obiektyw, kierunek E, kierunek B i kierunek biegu fali są wzajemnie prostopadłe — cała trójka tworzy układ jak trzy krawędzie kartonowego pudełka spotykające się w rogu.

To jest właściwość, którą płaski rysunek łatwo spłaszcza do nieporozumienia, dlatego widget obok warto obrócić rączką, a nie tylko na niego popatrzeć. Ustawiony domyślnie pokazuje falę spolaryzowaną liniowo: E drga w jednej płaszczyźnie (amber), B — w płaszczyźnie prostopadłej do E, narysowane cieńszymi, półprzezroczystymi odcinkami, żeby odróżnić je od E bez wprowadzania nowego koloru. Obie strzałki rosną i maleją razem, w tym samym rytmie, przesuwając się wzdłuż osi biegu fali.

Fala płaska: E ⊥ B ⊥ kierunek

Obróć scenę i przełącz polaryzację. Amber = E, cieńsze półprzezroczyste odcinki = B (narysowane w tej samej skali co E dla czytelności — naprawdę B jest tysiące razy mniejsze liczbowo, bo ma inne jednostki).

przeciągnij, żeby obrócić
Ten widget potrzebuje WebGL Akapity obok opisują tę samą rzecz w całości — widget jest ilustracją, nie nośnikiem argumentu.

Kołowa: koniec strzałki E kreśli w przestrzeni spiralę wokół osi biegu fali. Z boku ta sama spirala wygląda jak zwykła sinusoida — dlatego dopiero widok przestrzenny (albo patrzenie prosto wzdłuż osi, jak w diagramie niżej) odróżnia ją od liniowej. Niespolaryzowana: kierunek E skacze losowo od punktu do punktu, bez żadnej wspólnej płaszczyzny.

Dlaczego w ogóle warto śledzić B, skoro w kolejnych rozdziałach prawie nie wróci? Bo bez niego trudno uwierzyć, że pole magnetyczne fali świetlnej naprawdę istnieje, a zignorowanie go wymaga uzasadnienia, nie założenia. Siła, jaką pole B wywiera na poruszający się ładunek, jest proporcjonalna do jego prędkości i do wielkości pola:

B = E / c B — indukcja pola magnetycznego [T], E — natężenie pola elektrycznego fali [V/m], c — prędkość światła w próżni. Siła magnetyczna na swobodny ładunek jest w stosunku v/c mniejsza od siły elektrycznej — dla elektronu drgającego w atomie ten stosunek jest znikomy, więc w optyce śledzimy praktycznie samo E.

Jest jeszcze jedna liczba warta zapamiętania, bo będzie wracać przy okazji rezonansu i tłumienia: dla zielonego odniesienia tej książki, 550 nanometrów, pełny okres drgań pola trwa około 1,8 femtosekundy — pole zmienia zwrot na przeciwny co 0,9 femtosekundy. Żaden mechanizm mechaniczny nie nadąża za czymś tak szybkim; elektron w atomie, dzięki znikomej masie, nadąża.

Pełny zapis tego wszystkiego równaniami Maxwella, bez pomijania niczego — Dodatek A.

Kierunek drgania · trzy stany polaryzacji

Polaryzacja światła: kierunek, w którym drga E

Skoro pole E drga w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku biegu fali, to wciąż zostaje pytanie, w którą stronę w tej płaszczyźnie. Odpowiedź na to pytanie to polaryzacja światła (polarization of light) — termin, który warto od razu odróżnić od polaryzacji ośrodka, oznaczanej P, o której będzie mowa dopiero przy materii; goła „polaryzacja" bez kontekstu w tej książce nie występuje.

Są trzy stany, które będziesz odróżniać przez resztę tomu. Liniowa: E drga cały czas w jednej ustalonej płaszczyźnie — jak sznur poruszany w górę i w dół. Kołowa: E ma stałą długość, ale jego kierunek obraca się w miarę biegu fali, więc koniec strzałki kreśli spiralę — dokładnie tę, którą pokazywał widget wyżej. Niespolaryzowane: to, co wychodzi ze zwykłej żarówki czy ze Słońca — kierunek E skacze losowo, bilion razy na sekundę, bo światło jest sumą niezależnych fal od miliardów niezsynchronizowanych atomów. Żadna z tych trzech płaszczyzn nie jest uprzywilejowana; to właśnie znaczy „bez polaryzacji”.

Polaryzator to filtr, który przepuszcza tylko składową E równoległą do swojej osi, a resztę pochłania. Padnij niespolaryzowanym światłem na polaryzator: po drugiej stronie wychodzi dokładnie połowa energii, teraz uporządkowana w jedną płaszczyznę. Ustaw za nim drugi polaryzator pod kątem θ do pierwszego, a przez niego przejdzie tylko rzut tej już uporządkowanej fali na nową oś — to prawo Malusa:

I = I₀ · cos²θ I₀ — natężenie po pierwszym polaryzatorze, θ — kąt między osiami obu filtrów, I — natężenie na wyjściu. Przy θ = 0° przechodzi wszystko, przy θ = 90° — nic.
Dwa polaryzatoryprawo Malusa
45°
niespolaryzowane polaryzator 1 spolaryzowane pionowo polaryzator 2 I/I₀ = 0,50
Kąt 45°: przechodzi połowa natężenia — dokładnie w punkcie, w którym cos²θ spada najszybciej.

Suwak wart jest chwili zabawy dla dwóch skrajnych ustawień. Przy zerze wiązka na wyjściu jest tak samo gruba jak po pierwszym filtrze — drugi polaryzator w niczym nie przeszkadza, bo jest ustawiony dokładnie tak samo. Przy dziewięćdziesięciu stopniach wiązka znika całkowicie: to klasyczny układ „skrzyżowanych polaryzatorów”, na którym opiera się większość testów materiałów dwójłomnych i ciekłokrystaliczny ekran, który gaśnie, kiedy obrócisz nad nim filtr.

kierunek losowy
Każde kliknięcie to inna chwila w niespolaryzowanej wiązce: kierunek E po lewej skacze losowo, ale za polaryzatorem (prawa strona, oś pionowa) zawsze zostaje tylko rzut na tę jedną oś.

Ta symulacja tłumaczy też, skąd bierze się owo „przechodzi połowa energii” z akapitu wyżej: uśrednij rzut losowego kierunku na ustaloną oś po bardzo wielu chwilach, a średnia z cos²θ dla θ rozłożonego równomiernie wynosi dokładnie jedną drugą. Prawo Malusa dla światła uporządkowanego i owo „pół” dla światła niespolaryzowanego to ten sam wzór, tylko uśredniony po różnych rzeczach.

Widok wprost w oś biegu falidlaczego kołowa i liniowa mylą się z boku
liniowa kołowa niespolaryzowana patrzysz wzdłuż osi biegu fali, prosto w koniec strzałki E
Z boku (rzut na płaszczyznę zawierającą kierunek biegu) kołowa i liniowa to obie zwykłe sinusoidy — dopiero patrząc wzdłuż osi widać różnicę: odcinek kontra okrąg. Stąd widget 3D wyżej.

Co dzieje się z polaryzacją przy odbiciu i dlaczego istnieje kąt, przy którym odbite światło jest spolaryzowane w stu procentach — Tom 2, Rozdział 3. Katalog filtrów polaryzacyjnych używanych na planie i w postprodukcji — Tom 2, Dodatek AB.

Z praktyki

Filtr polaryzacyjny na obiektywie zdejmuje odblask w momencie zdjęcia, nie później. Obracasz go, aż nierówny, jasny refleks z wody albo z liścia zniknie — bo trafiłeś w kąt, przy którym ten konkretny odblask jest prawie w stu procentach spolaryzowany. W compie tej operacji nie da się cofnąć: informacja o kierunku drgania E nie jest zapisana w pikselu RGB, więc nie ma czego „odkręcić” filtrem w Nuke'u.

Dlatego renderer zwykle w ogóle nie liczy polaryzacji. Ślad po niej jest jednak obecny pośrednio: kanał specular / reflection w AOV to w dużej mierze ta sama energia, którą w naturze niósłby odblask spolaryzowany — stąd rozdzielanie diffuse i specular w compie jest cyfrowym odpowiednikiem tego, co polaryzator robi optycznie na planie.

Skrzyżowane polaryzatory to szybki test na dwójłomność materiału w rekwizytach czy w taśmie klejącej na planie — naprężone lub anizotropowe fragmenty rozjaśniają się kolorowo między dwoma skrzyżowanymi filtrami, mimo że pojedynczo każdy z nich wygasza światło do zera.

Słowniczek
pole elektryczne (E)
Wielkość zdefiniowana w każdym punkcie przestrzeni, opisująca siłę, jaką odczułby tam ładunek próbny: F = qE. W fali świetlnej oscyluje setki bilionów razy na sekundę.
pole magnetyczne (B)
Towarzyszy każdemu oscylującemu polu E, prostopadłe do niego i do kierunku biegu fali. B = E/c; siła magnetyczna na swobodny ładunek jest w stosunku v/c mniejsza od elektrycznej.
fala płaska
Model fali, w którym E, B i kierunek biegu są wzajemnie prostopadłe, a czoła fali są płaskie — dobre przybliżenie promieni słonecznych i światła z bardzo odległego źródła.
polaryzacja światła
Kierunek, w którym drga pole E. Liniowa — stały kierunek; kołowa — kierunek obraca się, kreśląc spiralę wzdłuż biegu fali; niespolaryzowana — kierunek skacze losowo. Nie mylić z polaryzacją ośrodka P.
polaryzator
Filtr przepuszczający tylko składową E równoległą do swojej osi. Dwa skrzyżowane pod 90° nie przepuszczają nic.
prawo Malusa
I = I₀cos²θ — natężenie światła spolaryzowanego liniowo po przejściu przez polaryzator ustawiony pod kątem θ do jego kierunku drgania.
Idź głębiej
Dodatek A — Maxwell bez strachu