Принцип Ферма , также известный как принцип наименьшего времени , является связующим звеном между лучевой оптикой и волновой оптикой . Принцип Ферма гласит, что путь, пройденный лучом между двумя заданными точками, — это путь, который можно пройти за наименьшее время.
Впервые предложенный французским математиком Пьером де Ферма в 1662 году как средство объяснения обычного закона преломления света (рис. 1), принцип Ферма изначально был спорным, поскольку казалось, что он приписывает природе знания и намерения. Лишь в XIX веке стало понятно, что способность природы проверять альтернативные пути — это всего лишь фундаментальное свойство волн. [1] Если заданы точки A и B , волновой фронт , расширяющийся от A , охватывает все возможные пути лучей, исходящих из A , независимо от того, проходят они через B или нет. Если волновой фронт достигает точки B , он охватывает не только путь(и) луча от A до B , но также и бесконечное множество близлежащих путей с теми же конечными точками. Принцип Ферма описывает любой луч, достигающий точки B ; нет никакого намека на то, что луч «знал» самый быстрый путь или «намеревался» пойти по этому пути.
В своей первоначальной «сильной» форме [2] принцип Ферма гласит, что путь, пройденный лучом между двумя заданными точками, — это путь, который можно пройти за наименьшее время. Чтобы быть истинным во всех случаях, это утверждение необходимо ослабить, заменив «наименьшее» время временем, « стационарным » по отношению к изменениям пути – так, чтобы отклонение пути вызывало, самое большее, изменение времени прохождения второго порядка . Грубо говоря, путь луча окружен близкими путями, которые можно пройти за очень близкое время. Можно показать, что это техническое определение соответствует более интуитивным представлениям о луче, например, прямой видимости или пути узкого луча .
В целях сравнения времени прохождения время от одной точки до следующей назначенной точки берется так, как если бы первая точка была точкой -источником . [3] Без этого условия время прохождения было бы неоднозначным; например, если бы время распространения от P до P' отсчитывалось от произвольного волнового фронта W , содержащего P (рис. 2), это время можно было бы сделать сколь угодно малым, соответствующим образом наклонив волновой фронт.
Рассмотрение точки на пути как источника является минимальным требованием принципа Гюйгенса и частью объяснения принципа Ферма. Но можно также показать, что геометрическая конструкция , с помощью которой Гюйгенс пытался применить свой собственный принцип (в отличие от самого принципа), представляет собой просто обращение к принципу Ферма. [4] Следовательно, все выводы, которые Гюйгенс сделал из этой конструкции – включая, помимо прочего, законы прямолинейного распространения света, обычного отражения, обычного преломления и необычайного преломления « исландского кристалла » (кальцита) – также являются следствием Принцип Ферма.
Предположим, что:
Тогда различные пути распространения от A до B будут помогать друг другу, если время их прохождения будет находиться в пределах указанного допуска. При малом допуске (в предельном случае) допустимый диапазон изменений пути максимизируется, если путь таков, что время его обхода стационарно относительно изменений, так что изменение пути вызывает не более секунды . -порядок изменения времени обхода. [5]
Наиболее очевидным примером стационарности во времени прохождения является минимум (локальный или глобальный), то есть путь наименьшего времени , как в «сильной» форме принципа Ферма. Но это условие не является существенным для аргументации. [Заметка 2]
Установив, что путь стационарного времени обхода подкрепляется максимально широким коридором соседних путей, нам еще предстоит объяснить, как это подкрепление соответствует интуитивным представлениям о луче. Но для краткости объяснений давайте сначала определим путь луча как путь стационарного прохождения во времени.
Если коридор путей, усиливающий путь луча от A до B , существенно заблокирован, это существенно изменит возмущение, достигающее B из A - в отличие от препятствия аналогичного размера за пределами любого такого коридора, блокирующего пути, которые не усиливают друг друга. Первое препятствие будет существенно нарушать сигнал, достигающий B от A , а второе - нет; таким образом, путь луча отмечает путь сигнала . Если сигнал представляет собой видимый свет, первое препятствие существенно повлияет на внешний вид объекта в точке A , как его видит наблюдатель в точке B , а второе - нет; таким образом, путь луча отмечает линию обзора .
В оптических экспериментах за линией зрения обычно понимают траекторию луча. [6]
Если коридор путей, усиливающий путь луча от A до B , существенно затруднен, это существенно повлияет на энергию [Примечание 3], достигающую B из A – в отличие от препятствия аналогичного размера за пределами любого такого коридора. Таким образом, путь луча отмечает путь энергии – как и луч.
Предположим, что волновой фронт, расширяющийся из точки A , проходит точку P , лежащую на пути луча от точки A до точки B. По определению, все точки волнового фронта имеют одинаковое время распространения от A. Теперь пусть волновой фронт заблокирован, за исключением окна с центром в P и достаточно маленького, чтобы находиться в коридоре путей, усиливающих путь луча от A до B. Тогда все точки на свободной части волнового фронта будут иметь почти одинаковое время распространения до B , но не до точек в других направлениях, так что B будет находиться в направлении максимальной интенсивности луча, проходящего через окно. [7] Таким образом, путь луча отмечает луч. А в оптических экспериментах пучок принято рассматривать как совокупность лучей или (если он узкий) как приближение к лучу (рис. 3). [8]
Согласно «сильной» форме принципа Ферма задача о нахождении пути светового луча от точки А в среде более быстрого распространения до точки В в среде более медленного распространения (рис. 1) аналогична задаче проблема, с которой сталкивается спасатель при выборе места входа в воду, чтобы как можно скорее добраться до тонущего пловца, учитывая, что спасатель может бежать быстрее, чем он(а) может плавать. [9] Но эта аналогия не может объяснить поведение света, потому что спасатель может думать о проблеме (пусть даже на мгновение), тогда как свет, по-видимому, не может. Открытие того, что муравьи способны на подобные вычисления [10], не устраняет разрыв между живым и неживым.
Напротив, приведенные выше предположения (1)–(3) справедливы для любого волнового возмущения и объясняют принцип Ферма чисто механистическими терминами, без какого-либо вменения знаний или цели.
Этот принцип применим к волнам в целом, включая (например) звуковые волны в жидкостях и упругие волны в твердых телах. [11] В модифицированной форме это работает даже для волн материи : в квантовой механике классический путь частицы можно получить, применив принцип Ферма к соответствующей волне – за исключением того, что, поскольку частота может меняться в зависимости от пути, стационарность заключается в фазовом сдвиге (или количестве циклов), а не обязательно во времени. [12] [13]
Однако принцип Ферма наиболее известен в случае видимого света : это связующее звено между геометрической оптикой , которая описывает определенные оптические явления в терминах лучей , и волновой теорией света , которая объясняет те же явления на основе гипотезы, что свет состоит из волн .
В этой статье мы различаем принцип Гюйгенса , который гласит, что каждая точка, пересекаемая бегущей волной, становится источником вторичной волны, и конструкцию Гюйгенса , которая описана ниже.
Пусть поверхность W представляет собой волновой фронт в момент времени t , а поверхность W′ представляет собой тот же волновой фронт в более поздний момент времени t + ∆t ( рис. 4). Пусть P — общая точка на W. Тогда, согласно конструкции Гюйгенса, [14]
Построение можно повторить, чтобы найти последовательные положения первичного волнового фронта и последовательные точки луча.
Направление луча, заданное этой конструкцией, является радиальным направлением вторичного волнового фронта [15] и может отличаться от нормали вторичного волнового фронта (см. рис. 2), а значит, и от нормали первичного волнового фронта в точке касание. Следовательно, скорость луча по величине и направлению представляет собой радиальную скорость бесконечно малого вторичного волнового фронта и обычно является функцией местоположения и направления. [16]
Теперь пусть Q — точка на W , близкая к P , и пусть Q’ — точка на W, близкая к P’ . Тогда по построению
Согласно (i), путь луча представляет собой путь со стационарным временем прохождения от P до W' ; [17] и согласно (ii) это путь стационарного времени обхода от точки на W до P' . [18]
Таким образом, конструкция Гюйгенса неявно определяет путь луча как путь стационарного времени прохождения между последовательными положениями волнового фронта , причем время отсчитывается от точечного источника на более раннем волновом фронте. [Примечание 4] Этот вывод остается в силе, если вторичные волновые фронты отражаются или преломляются поверхностями с неоднородностями свойств среды, при условии, что сравнение ограничивается затронутыми путями и затронутыми частями волновых фронтов. [Примечание 5]
Однако принцип Ферма традиционно выражается в терминах «точка-точка» , а не в терминах «волновой фронт к волновому фронту». Соответственно, давайте модифицируем пример, предположив, что волновой фронт, который становится поверхностью W в момент времени t и который становится поверхностью W' в более поздний момент времени t + Δt , излучается из точки A в момент 0 . Пусть P — точка на W (как и раньше), а B — точка на W′ . И пусть A , W , W′ и B заданы, так что проблема состоит в том, чтобы найти P .
Если P удовлетворяет конструкции Гюйгенса, так что вторичный волновой фронт от P касается W ' в B , то PB - это путь стационарного времени прохождения от W до B . Добавляя фиксированное время от A до W , мы находим, что APB — это путь стационарного времени прохождения от A до B (возможно, с ограниченной областью сравнения, как отмечалось выше), в соответствии с принципом Ферма. Этот аргумент работает так же хорошо и в обратном направлении, при условии, что W' имеет четко определенную касательную плоскость в точке B. Таким образом, конструкция Гюйгенса и принцип Ферма геометрически эквивалентны. [19] [Примечание 6]
Благодаря этой эквивалентности принцип Ферма поддерживает конструкцию Гюйгенса и, следовательно, все выводы, которые Гюйгенс смог сделать из этой конструкции. Короче говоря, «Законы геометрической оптики могут быть выведены из принципа Ферма». [20] За исключением самого принципа Ферма-Гюйгенса, эти законы являются особыми случаями в том смысле, что они зависят от дальнейших предположений о средствах массовой информации. Два из них упомянуты под следующим заголовком.
В изотропной среде, поскольку скорость распространения не зависит от направления, вторичные волновые фронты, которые расширяются от точек первичного волнового фронта за заданное бесконечно малое время , имеют сферическую форму [16] , так что их радиусы нормальны к их общей касательной поверхности в точках касания. Но их радиусы обозначают направления лучей, а их общая касательная поверхность представляет собой общий волновой фронт. Таким образом, лучи нормальны (ортогональны) волновым фронтам. [21]
Поскольку большая часть преподавания оптики концентрируется на изотропных средах, рассматривая анизотропные среды как необязательную тему, предположение о том, что лучи перпендикулярны волновым фронтам, может стать настолько распространенным, что даже принцип Ферма объясняется в рамках этого предположения, хотя на самом деле принцип Ферма более общий. [22]
В однородной среде (также называемой однородной средой ) все вторичные волновые фронты, которые расширяются от данного первичного волнового фронта W в данное время Δt , конгруэнтны и одинаково ориентированы, так что их огибающую W ' можно рассматривать как огибающую единственный вторичный волновой фронт, который сохраняет свою ориентацию, пока его центр (источник) перемещается по W . Если P — его центр, а P’ — точка касания с W’ , то P’ движется параллельно P , так что плоскость, касательная к W’ в P’ , параллельна плоскости, касательной к W в P ’. Пусть другой (конгруэнтный и аналогично ориентированный) вторичный волновой фронт находится в центре P' , движется вместе с P , и пусть он встречается со своей огибающей W″ в точке P″ . Тогда, по тем же соображениям, плоскость, касательная к W″ в точке P″ , параллельна двум другим плоскостям. Следовательно, из-за конгруэнтности и схожей ориентации направления лучей PP' и P'P″ одинаковы (но не обязательно перпендикулярны волновым фронтам, поскольку вторичные волновые фронты не обязательно имеют сферическую форму). Эту конструкцию можно повторять сколько угодно раз, получая прямой луч любой длины. Таким образом, однородная среда допускает прямолинейные лучи. [23]
Пусть путь Γ продолжается из точки A в точку B. Пусть s — длина дуги, измеренная вдоль пути от A , и пусть t — время, необходимое для прохождения этой длины дуги со скоростью луча (то есть с радиальной скоростью локального вторичного волнового фронта для каждого местоположения и направления на путь). Тогда время прохождения всего пути Γ равно
(где A и B просто обозначают конечные точки и не должны рассматриваться как значения t или s ). Условием того, что Γ является лучевой траекторией, является то, что изменение T первого порядка из -за изменения Γ равно нулю; то есть,
Теперь определим оптическую длину данного пути ( оптическая длина пути , OPL ) как расстояние, проходимое лучом в однородной изотропной среде сравнения (например, в вакууме) за то же время, которое требуется для прохождения данного пути при локальная скорость луча. [24] Тогда, если c обозначает скорость распространения в эталонной среде (например, скорость света в вакууме), оптическая длина пути, пройденного за время dt , равна dS = c dt , а оптическая длина пройденного пути во времени T равно S = cT . Итак, умножив уравнение (1) на c , получим
Это имеет форму принципа Мопертюи в классической механике (для одиночной частицы), при этом индекс луча в оптике играет роль импульса или скорости в механике. [26]
В изотропной среде , для которой лучевая скорость является также фазовой скоростью, [примечание 7] мы можем заменить n r обычным показателем преломления n . [27] [28]
Если x , y , z — декартовы координаты, а точка означает дифференцирование по s , принцип Ферма (2) можно записать [29]
Если луч следует по прямой, он, очевидно, выбирает путь наименьшей длины . Герой Александрийский в своей «Катоптрике» (I век н. э.) показал, что обычный закон отражения от плоской поверхности следует из предположения, что общая длина пути луча минимальна. [35] Ибн аль-Хайсам , эрудит XI века, позже распространил этот принцип на преломление, дав тем самым раннюю версию принципа Ферма. [36] [37] [38]
В 1657 году Пьер де Ферма получил от Марина Кюро де ла Шамбр копию только что опубликованного трактата, в котором Ла Шамбр отмечал принцип Геро и жаловался, что он не действует на рефракцию. [40]
Ферма ответил, что рефракцию можно привести к одной и той же схеме, если предположить, что свет идет по пути наименьшего сопротивления и что разные среды оказывают разное сопротивление. Его окончательное решение, описанное в письме Ла Шамбру от 1 января 1662 года, заключалось в том, что «сопротивление» обратно пропорционально скорости, так что свет шел по пути наименьшего времени . Эта предпосылка привела к обычному закону преломления при условии, что свет распространяется медленнее в оптически более плотной среде. [41] [Примечание 8]
Решение Ферма стало важной вехой в том, что оно объединило известные тогда законы геометрической оптики в рамках вариационного принципа или принципа действия , создав прецедент для принципа наименьшего действия в классической механике и соответствующих принципов в других областях (см. Историю вариационных принципов). по физике ). [42] Это было тем более примечательно, что в нем использовался метод адекватности , который в ретроспективе можно понимать как нахождение точки, в которой наклон бесконечно короткой хорды равен нулю, [43] без промежуточного этапа поиска общего выражения для наклон ( производная ).
Это также сразу же вызвало споры. Обычный закон преломления в то время приписывался Рене Декарту (ум. 1650), который пытался объяснить его, предполагая, что свет — это сила, распространяющаяся мгновенно , или что свет аналогичен теннисному мячу, который движется быстрее в более плотная среда, [44] [45] любая предпосылка несовместима с предпосылкой Ферма. Самый известный защитник Декарта, Клод Клерселье , критиковал Ферма за то, что он явно приписывал природе знания и намерения, а также за неспособность объяснить, почему природа должна предпочитать экономить время, а не расстояние. Клерселье частично писал:
1. Принцип, который вы берете за основу вашего доказательства, а именно, что природа всегда действует кратчайшим и простым образом, есть только моральный принцип, а не физический; оно не является и не может быть причиной какого-либо действия в природе... Ибо в противном случае мы приписывали бы познание природе; но здесь под «природой» мы понимаем только этот порядок и этот закон, установленный в мире таким, какой он есть, который действует без предусмотрительности, без выбора и по необходимой определенности.
2. Этот же принцип сделал бы природу нерешительной... Ибо я спрашиваю вас... когда луч света должен пройти из точки в разреженной среде в точку в плотной, нет ли у природы причины колебаться, если , по вашему принципу, оно должно сразу выбирать прямую линию, а не изогнутую, так как если последняя оказывается короче во времени, то первая оказывается короче и проще по длине? Кто будет решать и кто высказывать? [46]
Ферма, не зная механистических основ своего собственного принципа, был не в состоянии защитить его, за исключением чисто геометрического и кинематического положения. [47] [48] Волновая теория света , впервые предложенная Робертом Гуком в год смерти Ферма, [49] и быстро усовершенствованная Игнасом-Гастоном Парди [50] и (особенно) Христианом Гюйгенсом , [51] содержала необходимые фундаменты; но признание этого факта шло на удивление медленно.
В 1678 году Гюйгенс предположил, что каждая точка, достигнутая световым возмущением, становится источником сферической волны; сумма этих вторичных волн определяет форму волны в любой последующий момент времени. [52] Гюйгенс неоднократно называл огибающую своих вторичных волновых фронтов окончанием движения , [53] имея в виду, что более поздний волновой фронт был внешней границей, которой возмущение могло достичь за данное время, [54] что, следовательно, было минимумом время, за которое может быть достигнута каждая точка на более позднем волновом фронте. Но он не утверждал, что минимальное время направлено от вторичного источника к точке касания; вместо этого он вывел направление луча на основе протяженности общей касательной поверхности, соответствующей заданной протяженности исходного волнового фронта. [55] Его единственное одобрение принципа Ферма было ограниченным по объему: выведя закон обычного преломления, согласно которому лучи нормальны к волновым фронтам, [56] Гюйгенс дал геометрическое доказательство того, что луч, преломляемый в соответствии с этим законом, принимает путь наименьшего времени. [57] Едва ли он счел бы это необходимым, если бы знал, что принцип наименьшего времени непосредственно вытекает из той же конструкции общей касательной, с помощью которой он вывел не только закон обычного преломления, но и законы прямолинейного распространения и обычное отражение (которое также, как известно, вытекало из принципа Ферма) и ранее неизвестный закон необычайного преломления - последний посредством вторичных волновых фронтов, которые были сфероидальными , а не сферическими, в результате чего лучи обычно были наклонены к волновым фронтам. Как будто Гюйгенс не заметил, что его конструкция подразумевает принцип Ферма, и даже как если бы он думал, что нашел исключение из этого принципа. Рукописные данные, цитируемые Аланом Э. Шапиро, имеют тенденцию подтверждать, что Гюйгенс считал принцип наименьшего времени недействительным «при двойном лучепреломлении , когда лучи не перпендикулярны волновым фронтам». [58] [Примечание 9]
Шапиро далее сообщает, что единственные три авторитета, которые приняли «принцип Гюйгенса» в 17 и 18 веках, а именно Филипп де Ла Гир , Дени Папен и Готфрид Вильгельм Лейбниц , сделали это потому, что он объяснял необычайную рефракцию « исландского кристалла » . (кальцит) аналогично ранее известным законам геометрической оптики. [59] Но на данный момент соответствующее расширение принципа Ферма осталось незамеченным.
30 января 1809 года [60] Пьер-Симон Лаплас , сообщая о работе своего протеже Этьена-Луи Малюса , утверждал, что необычное преломление кальцита можно объяснить в рамках корпускулярной теории света с помощью принципа наименьшего действия Мопертюи. : что интеграл скорости по расстоянию был минимальным. Корпускулярная скорость, удовлетворяющая этому принципу, была пропорциональна обратной скорости луча, заданной радиусом сфероида Гюйгенса. Лаплас продолжал:
Согласно Гюйгенсу, скорость необыкновенного луча в кристалле просто выражается радиусом сфероида; следовательно, его гипотеза не согласуется с принципом наименьшего действия; но примечательно , что она согласуется с принципом Ферма, который заключается в том, что свет проходит из данной точки вне кристалла в данную точку внутри него, в минимально возможное время; ибо легко видеть, что этот принцип совпадает с принципом наименьшего действия, если мы обратим выражение скорости. [61]
Отчет Лапласа стал предметом широкого опровержения со стороны Томаса Янга , который частично написал:
Принцип Ферма, хотя он был принят этим математиком на гипотетических или даже воображаемых основаниях, на самом деле является фундаментальным законом относительно волнового движения и явно [ sic ] является основой каждого определения в теории Гюйгена ... Г-н Лаплас, по-видимому, не знаком с этим самым существенным принципом одной из двух теорий, которые он сравнивает; ибо он говорит, что «замечательно», что закон необычайного преломления Гюйгена согласуется с принципом Ферма; что он вряд ли бы соблюдал, если бы знал, что закон является непосредственным следствием принципа. [62]
Фактически Лаплас знал , что принцип Ферма вытекает из конструкции Гюйгенса в случае преломления изотропной среды в анизотропную; геометрическое доказательство содержалось в полной версии отчета Лапласа, напечатанной в 1810 году. [63]
Утверждение Янга было более общим, чем утверждение Лапласа, и оно также поддерживало принцип Ферма даже в случае необычайного преломления, при котором лучи обычно не перпендикулярны волновым фронтам. К сожалению, однако, пропущенное среднее предложение цитируемого абзаца Янга начиналось со слов: «Движение каждой волны обязательно должно быть в направлении, перпендикулярном ее поверхности…» (курсив наш), и поэтому должно было сеять скорее путаницу, чем ясность. .
Такой путаницы не существует во «Вторых мемуарах» Огюстена-Жана Френеля о двойном лучепреломлении (Fresnel, 1827), в которых в нескольких местах рассматривается принцип Ферма (без упоминания Ферма), исходя из частного случая, когда лучи нормальны к волновым фронтам, к общему случаю, когда лучи являются путями наименьшего времени или стационарным временем. (В следующем резюме номера страниц относятся к переводу Альфреда В. Хобсона.)
Таким образом, Френель показал, даже для анизотропных сред, что путь луча, заданный конструкцией Гюйгенса, представляет собой путь наименьшего времени между последовательными положениями плоского или расходящегося волнового фронта, что скорости лучей представляют собой радиусы вторичной «волновой поверхности» после единицы время и что стационарное время прохождения определяет направление максимальной интенсивности луча. Однако установление общей эквивалентности между конструкцией Гюйгенса и принципом Ферма потребовало бы дальнейшего рассмотрения принципа Ферма в двухточечном выражении.
Хендрик Лоренц в статье, написанной в 1886 году и переизданной в 1907 году, [64] вывел принцип наименьшего времени в двухточечной форме из конструкции Гюйгенса. Но суть его аргументов была несколько затемнена очевидной зависимостью от эфира и сопротивления эфира .
Работу Лоренца процитировал в 1959 году Адриан Дж. де Витте, который затем предложил свой собственный аргумент, который «хотя по сути тот же, но считается более убедительным и более общим». Трактовка де Витта более оригинальна, чем можно предположить из этого описания, хотя и ограничена двумя измерениями; он использует вариационное исчисление, чтобы показать, что конструкция Гюйгенса и принцип Ферма приводят к одному и тому же дифференциальному уравнению для траектории луча, и что в случае принципа Ферма справедливо обратное. Де Витте также отметил, что «похоже, этот вопрос ускользнул от внимания в учебниках». [65]
Рассказ «История вашей жизни» писателя-фантаста Теда Чанга содержит визуальные изображения принципа Ферма, а также обсуждение его телеологического измерения. В книге Кита Девлина « Математический инстинкт» есть глава «Элвис, вельш-корги, умеющий считать», в которой обсуждается исчисление, «встроенное» в некоторых животных, когда они решают задачу «наименьшего времени» в реальных ситуациях.