Faza · kątSuma · wektorówSpójne · amplitudyNiespójne · natężenia
Rozdział 3 / Światło

Faza i dodawanie fal

Dwie fale mogą dać dwa razy więcej światła albo zero. O tym, co wyjdzie, decyduje jedna liczba — przesunięcie fazy — i to ona za kilka rozdziałów wyjaśni, dlaczego szkło jest przezroczyste, a niebo niebieskie.

TL;DR
Co widzisz · fala niesie kąt

Faza to zegar, nie liczba

Wrzuć dwa kamyki do stawu w różnych miejscach. Kręgi rozchodzą się od każdego z osobna, a tam, gdzie się nakładają, dzieje się coś więcej niż proste sumowanie wysokości fal — w jednych miejscach woda podskakuje wyżej niż od pojedynczego kamyka, w innych stoi prawie płasko, mimo że oba źródła cały czas pracują. To samo widać jako prążki na powierzchni wody skierowanej pod światło, albo w każdej kałuży, na którą pada deszcz z dwóch stron jednocześnie.

Powód jest prosty, jeśli spojrzysz na falę nie jako na kształt, tylko jako na zegar. W każdym punkcie i w każdej chwili fala jest gdzieś w swoim cyklu drgań — na szczycie, w dolinie, w połowie drogi między nimi. To „gdzie w cyklu” nazywa się fazą, oznacza się φ i mierzy w radianach albo w stopniach, tak jak wskazówkę zegara. Najwygodniej rysować ją właśnie jako wskazówkę: strzałkę o stałej długości, obracającą się ze stałą prędkością kątową. Taką strzałkę nazywa się fazorem, a jej rzut na oś pionową w każdej chwili jest dokładnie wychyleniem fali w tym punkcie. Obróć fazor o pełny obrót — dostaniesz jeden pełny okres sinusoidy. Przesuń suwak w widgecie i sprawdź to na własne oczy: fazor kręci się, a kropka na sinusoidzie po prawej jedzie dokładnie w rytm jego pionowego rzutu.

Fazorobracająca się strzałka i jej rzut
40°
FAZOR RZUT W CZASIE (φ = 0…360°) 0° 360°
φ = 40°. Fazor jest 40° po drodze od szczytu; sinusoida rośnie.

Skąd bierze się konkretna wartość φ w danym miejscu przestrzeni, mówi jeden prosty wzór. Jeśli porównujesz dwa punkty leżące w odległości Δs wzdłuż kierunku biegu fali, ich fazy różnią się o:

Δφ = 2π · Δs / λ Δφ — różnica faz [rad], Δs — różnica dróg, λ — długość fali. Przesunięcie o całą długość fali (Δs = λ) to Δφ = 2π, czyli powrót do tego samego miejsca w cyklu — fazor „nie zauważa” pełnego obrotu.

To ten sam wzór, który za chwilę pozwoli policzyć, kiedy dwie fale się wzmocnią, a kiedy zgaszą — wystarczy znać różnicę dróg, jaką każda z nich przebyła, i podzielić ją przez λ. Warto zapamiętać skalę: dla zielonego światła (λ = 550 nm) różnica dróg zaledwie 275 nm — mniej niż połowa długości fali, ułamek grubości ludzkiego włosa — wystarczy, żeby przestawić fazor o pełne 180° i zamienić wzmocnienie w zgaszenie. Optyka falowa jest wrażliwa na odległości, o których w geometrii promienia (Rozdział 1, Tom 2) nikt by nawet nie pomyślał.

Ten sam rachunek działa też w czasie, nie tylko w przestrzeni: skoro fazor obraca się ze stałą prędkością, można równie dobrze pytać, o ile faza przesunie się w ciągu jakiegoś odcinka czasu, zamiast o ile przesunie się wzdłuż jakiegoś odcinka drogi. Dla zielonego odniesienia jeden pełny obrót fazora, czyli jeden okres T, trwa około 1,8 femtosekundy — i to jest tempo, w którym trzeba by nadążać, żeby „zobaczyć” fazę bezpośrednio. Żaden detektor tego nie potrafi; to, co rejestruje matryca albo oko, jest zawsze uśrednieniem po wielu takich obrotów. Dlatego cała reszta tego rozdziału dotyczy tego, co zostaje z fazy po uśrednieniu — a nie samej fazy z osobna.

Dodawanie · geometria wektorów, nie nowe prawo

Dwa fazory, jeden wynik: od zera do podwojenia

Skoro fazor to strzałka, dodawanie dwóch fal to zwykłe dodawanie dwóch wektorów: ustawiasz je tip-to-tail i patrzysz, co wyszło. Gdy oba fazory wskazują ten sam kierunek — fale są w fazie — ich suma jest po prostu dłuższa: amplituda się podwaja, a ponieważ natężenie idzie z kwadratem amplitudy (I ∝ A²), natężenie rośnie czterokrotnie, nie dwukrotnie. To jest interferencja konstruktywna, i to jest dokładnie to miejsce w stawie, gdzie woda podskakuje najwyżej.

Gdy fazory wskazują przeciwne kierunki — fale są w przeciwfazie, Δφ = 180° — dodają się do zera. Suma po prostu znika, mimo że oba źródła cały czas pracują z pełną mocą. To interferencja destruktywna, i to jest ten spokojny placek na powierzchni wody. Między tymi dwiema skrajnościami leży cały wachlarz wyników pośrednich, a przy Δφ = 90° dwie fale o jednakowej amplitudzie A dają sumę o amplitudzie A√2 — mniej niż podwojenie, bo część długości fazorów „zużywa się” na obrót, a nie na wydłużenie.

Suma dwóch falsinusoidy i ich fazory
0°
fala A fala B suma A+B FAZORY (tip-to-tail)
Δφ = 0°. Fazory się pokrywają — amplituda sumy jest podwojona, natężenie poczwórne.

Ten sam rysunek fazorów, tylko z bardzo nierówną długością obu wektorów, jest jednym z najważniejszych obrazków w tej książce — pojawi się ponownie, gdy w Rozdziale 15 policzysz, dlaczego szkło w ogóle zagina światło. Chodzi o sytuację, w której jeden fazor jest duży, a drugi — mały i ustawiony prostopadle do niego. Wypróbuj to na poniższym widgecie: mały fazor dodany pod kątem 90° do dużego prawie nie zmienia jego długości (efekt drugiego rzędu, znikomy dla naprawdę małego dodatku), ale zauważalnie obraca kierunek sumy. Innymi słowy: mały wkład pod kątem prostym do dużego głównie zmienia fazę, nie amplitudę. Zapamiętaj ten obrazek — to jest dokładnie mechanizm, przez który cienka warstwa atomów potrafi opóźnić czoło fali, nie zabierając mu prawie żadnej energii.

Duży fazor + mały fazorkiedy dodatek tylko obraca sumę
90°
A (duży) B (mały)
Kąt 90°: długość sumy prawie się nie zmienia, a jej kierunek obraca się o kilka stopni.
Spójność · kiedy wolno dodawać fazory, a kiedy trzeba dodawać natężenia

Spójne kontra niespójne

Cała powyższa arytmetyka fazorów działa tylko pod jednym warunkiem: różnica faz Δφ między dwiema falami musi być ustalona — taka sama teraz, sekundę temu i za sekundę. Taki układ nazywa się spójnym (coherent). Dwa głośniki podłączone do jednego sygnału są spójne. Dwa kamyki wrzucone do stawu w tym samym rytmie — też. Wtedy masz prawo dodawać amplitudy i dopiero na końcu podnosić wynik do kwadratu:

I = A₁² + A₂² + 2A₁A₂·cos Δφ I — natężenie wypadkowe, A₁ i A₂ — amplitudy obu fal, Δφ — ich stała różnica faz. Dla Δφ = 0: I = (A₁+A₂)². Dla Δφ = 180°: I = (A₁−A₂)², czyli zero przy równych amplitudach.

Realne światło — żarówka, słońce, dowolna lampa — jest inne. Każdy atom w źródle emituje swoją falkę niezależnie od sąsiadów, a jego faza startowa jest przypadkowa i zmienia się co ułamek sekundy (albo szybciej). Taki układ jest niespójny (incoherent): Δφ między dowolną parą źródeł skacze losowo, więc uśredniony w czasie człon 2A₁A₂cosΔφ wynosi zero — dodatnie i ujemne wartości cosinusa znoszą się nawzajem. Zostaje tylko suma kwadratów. Dla N jednakowych, niezależnych źródeł to prosta różnica potęg:

Ispójne ∝ N²   |   Iniespójne ∝ N N identycznych źródeł o tej samej amplitudzie: spójnie dodane dają natężenie rosnące z kwadratem N (fazory stoją w jednej linii, długość sumy = N·A); niespójnie dodane dają natężenie rosnące liniowo z N (fazory błądzą losowo, długość sumy rośnie średnio jak √N, więc jej kwadrat — jak N).

Poniższy widget pokazuje obie sytuacje naraz dla tej samej liczby źródeł N. Po lewej fazory ustawione w jednej linii — spójna suma, prosta droga do coraz dłuższego wektora. Po prawej te same N fazorów, ale każdy pod losowym kątem — errantyczny spacer, który kończy się dużo bliżej startu niż wyprostowana linia. Wykres obok pokazuje, jak rozjeżdżają się obie krzywe natężenia wraz z rosnącym N: jedna pnie się jak parabola, druga jak linia prosta.

20
N = 20. Spójnie: I ∝ N² = 400. Niespójnie (ten konkretny rzut): I ≈ N.

Zwykłe światło, z jakim masz do czynienia na planie i w scenie renderowanej, jest niespójne — i to jest dobra wiadomość, bo dzięki temu renderer może po prostu sumować radiancje ze wszystkich źródeł i odbić, bez pilnowania faz. Jest dokładnie jeden powszechny wyjątek, w którym fazy przestają być losowe: fala odbita od dwóch powierzchni tej samej cienkiej warstwy przebywa ustaloną, geometrycznie zadaną różnicę dróg — a to znaczy, że jest spójna sama ze sobą. Właśnie tam wraca cały ten rozdział: przy cienkich warstwach i powłokach z Tomu 2, Rozdziału 24, i przy dyfrakcji z Tomu 2, Rozdziału 10. Fazory i ich dodawanie — narzędzie, nie ozdobnik — są od teraz gotowe do użycia w obu miejscach, a formalny zapis fazora jako liczby zespolonej znajdziesz w primerze matematycznym.

Z praktyki

Sumowanie radiancji w rendererze działa, bo światło w scenie jest niespójne. Kiedy path tracer zbiera wkład od wielu odbić i wielu źródeł, dodaje ich natężenia wprost, bez pilnowania faz — i to jest fizycznie poprawne, dopóki źródła rzeczywiście drgają niezależnie. Jedynym miejscem, gdzie ta zasada nie wystarcza, jest shader cienkiej warstwy (thin-film): tam trzeba jawnie policzyć różnicę dróg i cosinus z Δφ, bo dwa odbicia od tej samej warstwy są spójne.

Interferencja nie jest laboratoryjną ciekawostką. Dzieje się w każdym kawałku szkła, w każdej powłoce przeciwodblaskowej i w każdej bańce mydlanej — po prostu zwykle na tyle drobno przestrzennie albo spektralnie, że oko uśrednia efekt do gładkiego koloru. Kiedy warstwa jest wystarczająco cienka i regularna, ten sam mechanizm daje widoczne tęczowe paski — plamę oleju na mokrym asfalcie.

Słowniczek
faza (φ)
Miejsce w cyklu drgań fali w danym punkcie i czasie, mierzone jako kąt. Różnica faz między dwiema falami decyduje o wyniku ich sumowania.
fazor
Strzałka o stałej długości, obracająca się ze stałą prędkością kątową; jej pionowy rzut w każdej chwili odtwarza wychylenie fali. Wygodne narzędzie do dodawania fal bez rysowania całych sinusoid.
interferencja konstruktywna / destruktywna
Wzmocnienie (fazy zgodne, Δφ = 0) albo zniesienie (fazy przeciwne, Δφ = 180°) sumy dwóch fal. Wynik pośredni dla dowolnego innego Δφ wypada wprost z dodawania fazorów.
spójność (koherencja)
Utrzymywanie się stałej różnicy faz między dwiema falami w czasie. Warunek konieczny do tego, żeby wolno było dodawać amplitudy zamiast natężeń.
natężenie (I)
Wielkość proporcjonalna do kwadratu amplitudy fali, I ∝ A². To ją mierzy detektor, matryca i oko — nigdy samej amplitudy.