프로젝트 보석학 - 보석의 광학적 특성 - 화살표 추가
출처: Gemology Project 소스: EK 이페어케이 플러스
이 글은 리처드 파인만(Richard Feynman)의 저서 "QED - 빛과 물질의 이상한 행동
(QED - The Strange Behavior of Light and Matter)"과 뉴질랜드 오클랜드에서 진행
된 그의 강연을 바탕으로 작성되었습니다. 첫 번째는 파인만이 1970년대와 1980년
대에 전 세계 대학에서 행한 많은 강의를 글로 쓴 것입니다.
양자 전기 역학은 보석학자(또는 물리학 전공자)가 잘 이해하지 못하는 주제이지만
"화살표 추가"라는 간단한 개념으로 빛의 이상한 행동을 적어도 부분적으로는 설명할
수 있습니다.
노벨상 수상자인 리처드 파인만(Richard Feynman)은 초보자 수준에서 하드코어 양자
이론을 가르칠 수 있는 능력을 가지고 있었는데, 아마도 월터 르윈(Walter Lewin)이 능가할 수 있을 것입니다.
파인만은 모든 것을 통틀어 어떤 것들은 현재로서는 설명할 수 없으며, 그가 강의한 어떤 것도 옳다는 것을 거리낌 없이 인정한다.
10년 후에는 빛의 이상한 행동에 대해 훨씬 더 많은 통찰력을 갖게 될 수 있겠지만,
현재로서는 경험적 지식과 우리의 제한된 이해와 관련이 있을 것이다.
따라서 이 에세이의 주요 목적은 권위 있거나 정확하지 않고 빛의 주제에 대해 조금 더
깊이 파고들어 빛이 어떻게 작동하는지 이해하는 것입니다.
빛이 직선으로 이동하지 않는 이유부터 회절이 작동하는 방식에 이르기까지 모두 "화살표 추가"라는 간단한 개념으로 설명할 수 있습니다.
반사
광원이 반사면을 가리킬 때 반사는 법선의 반대 지점에 도달하고 입사각과 반사각이
동일하다는 것을 배웁니다.
입사 광선, 반사 광선 및 법선은 모두 같은 평면에 있습니다. 그것이 "반성의 법칙"
입니다.
이에 대한 논리적 해석은 빛이 항상 최소 거리(또는 최소 시간)의 경로를 따른다는 것
입니다.
유리판에서 얼마나 많은 빛이 반사되는지와 같은 몇 가지 질문이 제기됩니다.
또는 유리의 일부를 검은색으로 칠해도 광원 A에서 검출기 지점 B로 빛을 반사할 수
있습니까?
일반적인 반사 법칙에 따르면 후자는 발생하지 않아야 합니다. 실제로는 더 많은 것을
반영할 수 있습니다.
그림 \(\PageIndex{1}\): 빛이 반사면을 통해 A 지점에서 B 지점으로 이동할 때 취할 수 있는 가능한 경로
이것을 이해하려면 빛이 A에서 B로 직선으로만 이동하거나 A와 B 사이의 최단 경로가 차단될 때 반사면을 통해 A에서 B로 도달하기 위해 광선이 취할 수 있는 경로는 하나뿐이라는 생각을 버려야 합니다.
광자가 반사면을 통해 A 지점에서 B 지점으로 이동할 때 B에 도달하는 데 무한한 경로가 필요할 수 있습니다.
반사 법칙(녹색 화살표로 표시)에 의해 결정되는 최단 경로입니다.
그러나 광자가 더 긴 경로를 취할 수 없는 이유는 없으며 실제로 그렇습니다.
빨간색 경로(더 긴 경로) 또는 파란색 경로(더 긴 경로) 또는 그 사이의 모든 경로를
쉽게 따라갈 수 있습니다.
B 지점에 검출기를 배치하고 반사 유리를 통해 A 지점에서 B 지점으로 이동하는 데
걸리는 시간을 측정하면 모든 광자가 B 지점에 도달하는 데 걸리는 시간이 달라집니다.
빛이 항상 최단 거리를 이동하는 것은 아니라는 것을 나타내는 좋은 지표입니다.
시계 반대 방향으로 회전하는 손으로 스톱워치를 사용하면 바늘은 이러한 각 경로에 대해 다른 "시간"에서 멈추고 바늘이 가리키는 방향을 "화살표"로 생각할 수 있습니다
(이미지 하단에 표시됨).
화살표의 길이는 임의적이며 모든 스톱워치에서 동일합니다.
화살표는 물리학자들에 의해 "페이저"로 알려져 있으며 화살표가 가리키는 방향을
"위상각"이라고 합니다.
그림 \(\PageIndex{2}\): 화살표와 화살표 추가가 있는 거울의 다른 지점에 반사된 클로즈업
반사면을 작은 부분(무한대)으로 나누고 광자가 광원 S에서 검출기 P(광전자 증배관의
경우 P)로 이동하는 데 걸리는 시간을 계산할 수 있습니다.
스톱워치(매우 빠르게 회전하는 바늘 포함)는 광자가 S에서 방출될 때 시작되고 P에서
감지될 때 중지됩니다.
거울은 무한한 양의 작은 섹션으로 나눌 수 있지만 단순화를 위해 A에서 K까지 11개만
그려집니다.
섹션 아래의 작은 화살표는 실험이 완료될 때 스톱워치 바늘이 가리키는 방향을 나타냅니다.
그런 다음 화살표 A부터 시작하여 "화살표 추가"를 시작합니다.
화살표 A의 머리에 꼬리가 있는 화살표 B를 배치하여 화살표 방향을 변경하지 않습니다.
화살표 C는 뱀 모양의 화살 모양이 될 때까지 화살표 B의 머리에 꼬리와 함께 배치됩니다.
그런 다음 A의 꼬리에서 시작하여 화살표 K의 머리에서 끝나는 마지막 화살표를 그립니다
(빨간색 화살표로 표시). 이 마지막 화살표는 거울에서 반사되는 모든 광자의 진폭입니다.
이미지에서 볼 수 있듯이 섹션 E, F 및 G는 최종 화살표에 가장 많이 기여합니다.
거울의 바깥 쪽 영역의 반사는 최종 화살표를 손상시키는 경향이 있습니다.
이것은 거울의 반사량이 주로 중심점(F) 주변의 반사에 기인하며, 반사에 대한 고전적
관점에서 배운 것처럼 중심점만의 반사가 아니라는 것을 의미합니다.
화살표에서 볼 수 있듯이 섹션 A와 B는 최종 화살표를 더 짧게 만들고 실제로 최종 반사량을 방해합니다.
방해가 되는 화살 중 하나를 제거할 수 있다면 어떤 일이 일어날지 자문해 볼 수 있습니다.
이를 수행하는 한 가지 방법은 해당 부분을 반사하지 않도록 하는 것입니다(예: 반사되지 않는 페인트로 칠하는 것).
회절
그림 \PageIndex{3}: 7.4.3
반사 섹션을 제거하면 전체 반사에 추가될 수 있습니다
특정 섹션의 반사를 제거하면 화살표도 제거됩니다(반사되지 않는 표면에서 반사 시간을 맞출 이유가 없기 때문에). 즉, 이제 화살표 추가가 변경됩니다.
섹션 B에 속한 화살표를 제거했으므로 이제 C의 화살표를 A의 화살표 위에 배치해야
합니다.
이렇게 하면 이미지에서 파란색 화살표로 볼 수 있듯이 최종 화살표(A에서 K까지)가
더 길어집니다(원래 빨간색 화살표는 차이를 표시하기 위해 그대로 유지됨).
즉, 거울의 특정 부분을 제거함으로써(해당 부분을 반사하지 않게 만듦으로써) 거울의
전체 반사를 증가시킬 수 있습니다. 이상하지만 사실입니다.
항상 그렇듯이 공짜 점심과 같은 것은 없으며 함정이 있습니다.
제거된 섹션은 약 1/1000mm의 스트립으로 매우 작아야 하며 이러한 작은 스트립의 시
퀀스는 단색광만 반사합니다.
예상하지 못한 추가 보너스는 감지기를 움직이면 가시 스펙트럼의 다른 색상을 반사한다는 것입니다.
따라서 거울의 그 부분은 이제 회절 격자로 작동합니다.
그림 \PageIndex{4}: 7.4.4
추가 후 화살표의 간섭
A, B, C 섹션(거울의 바깥쪽 둘레)을 클로즈업하면 많은 빛의 사진이 특정 영역에 닿는다는 것을 알 수 있습니다. 원하는 만큼 그릴 수 있습니다.
그들 모두는 감지기에 도달하는 데 다른 시간이 필요하므로 모두 특정 화살표가 연결되어 있습니다.
A에서 C 영역은 서로 간섭하는 화살표를 보여주며, 사실상 서로를 상쇄하므로 해당 영역은 전체 거울의 최종 반사량에 기여하지 않습니다.
해당 영역의 화살표가 추가되면(머리에서 꼬리로) 원 또는 나선형 화살표를 형성합니다.
전체 반사를 방해하는 영역, 즉 "잘못된" 방식으로 가리키는 화살표를 반사하지 않도록 하면 거울의 전체 반사율이 증가합니다.
그림 \PageIndex{5}: 7.4.5
화살표 추가 후 반사율 증가, 회절
화살표가 잘못된 방향을 가리키는 영역을 검은색으로 만들어 반사되지 않도록 하거나
화살표가 원하는 방향을 가리키는 영역을 에칭할 수 있습니다.
둘 중 하나를 수행하면 회절 격자가 생성됩니다.
물론, 반사 부분과 반사되지 않는 부분(회절 격자 재료에서 "홈"이라고 함) 사이의 공간은 매우 밀접하게 배치되어 있습니다.
앞서 언급했듯이 홈의 반사는 청색광의 스톱워치가 적색광보다 더 빨리 회전하기 때문에 적색광과 같은 단색광에서만 작동합니다
(따라서 화살표는 청색광의 다른 방향을 가리킴).
그러나 감지기를 움직이면 청색광에 대해 다시 작동합니다(적색광에는 작동하지 않음).
우리의 눈이 탐지기라면 우리의 눈은 넓은 시야를 가지고 있고 다른 장소에서 많은 탐
지기처럼 작동하기 때문에 청색광과 적색광(그리고 그 사이의 모든 것) 모두에 대해 작동할 수 있습니다.
참조
QED - 빛과 물질의 기묘한 행동 (2006) - 리처드 파인만 ISBN 0691125759
리처드 파인만 - 더글러스 롭 추모 강연 비디오