Fermat ilkesi

Optik
Işığın doğası
Işık
Işık hızı
Huygens-Fresnel ilkesi
Fermat ilkesi
Optik aygıtlar
Ayna
Mercek
Prizma
Büyüteç
Kamera
Mikroskop
Teleskop
Lazer
Göz
Olaylar
Yansıma
Tam yansıma
Kırılma
Saçılma
Girişim
Kırınım
Polarizasyon

Fermat ilkesi, Fermat prensibi ya da en az süre prensibi, Pierre de Fermat tarafından ışık yollarının belirlenmesi için kullanılabilen genel bir ilke. Fermat ilkesine göre bir ışık ışını herhangi iki nokta arasında ilerlerken, izlediği yol en az zamanı gerektiren yoldur.

.

Bu prensip bazen ışık demetinin tanımı olarak görülür. Ancak bu tanım genel değildir, ışık demetleri yolun değişkenlerine bağlı olan sabit optikal uzunluğu kateder tanımı daha modern bir tanımdır. Bir başka deyişle, bir ışık demeti iki yanında başka yollarında olduğu neredeyse aynı sürede alabileceği bir yol tercih eder. Fermat ilkesi, aynadan yansıtılan ışığın, farklı ortamlarda kırılan ışığın ya da süregelen toplam iç yansımalardan oluşan ışığın özelliklerini tanımlamak için kullanılabilir. Fermat ilkesi, Huygen prensibi tarafından matematiksel olarak takip edilir. (küçük dalga boyları sınırında). Fermat'ın Analyse des réfractaions Snell yasası ve yansıma yasasını elde etmek için yeterlilik tekniğinden yararlanır. Fermat prensibi Hamilton prensibi ve Hamiltonian optiğiyle aynı forma sahiptir.

Modern versiyon

Elektromanyetik dalganın A ve B noktaları arasındaki yolu alması için geçen süre olan T;

$T=\int _{\mathbf {A} }^{\mathbf {B} }\,dt={\frac {1}{c}}\int _{\mathbf {A} }^{\mathbf {B} }{\frac {c}{v}}{\frac {ds}{dt}}\,dt={\frac {1}{c}}\int _{\mathbf {A} }^{\mathbf {B} }n\,ds\$

“c ışık vakumdaki hızıdır”,”ds ışın üzerinde son derece küçük uzaklıktır”, v = ds/dt bir madde içindeki ışığın hızı ve n = c/v bu maddenin kırıcı dizini. Bir ışının A noktasından B noktasına olan optiksel uzunluğu şöyle tanımlanır;

$S=\int _{\mathbf {A} }^{\mathbf {B} }n\,ds\$

Ve bu alınan yol ile ilgili S = cT' şeklinde ilgilidir'. Optiksel yol uzunluğu tamamıyla geometriksel niceliktir çünkü zaman optiksel yolun hesaplamalarında düşünülmez. A ve B noktaları arasında yol alan ışğın zamanındaki bir uç değer, bu noktalar arasındaki bir uç değerine eşittir. Fransız matematikçi Pierre de Fermat tarafından önerilen tarihsel formu tamamlanmamıştır. {{quote|İki sabit A ve B noktaları arasında ışık tarafından takip edilen yolun optiksel uzunluğu bir uç değer cümlesi varyasyonları olan Fermat prensibinin modern ve tam cümlesidir. Optiksel uzunluk fiziksel uzaklık çarpı maddenin yansıtıcı dizini olarak tanımlanır. değişkenlerin hesabının varyasyonlarının içeriğinde bu şöyle yazılabilir:

$\delta S=\delta \int _{\mathbf {A} }^{\mathbf {B} }n\,ds=0$

Genelde, yansıtıcı dizin uzayda bir sayısal alan pozisyonudur; $n=n\left(x_{1},x_{2},x_{3}\right)\$ in 3D euclidean uzayı. Şimdi ışığın x ekseni boyunca hareket eden bir bileşeni olduğunu varsyalım₃ bir ışık demetinin yolu şu şekilde parametrelerle ifade edilebilir, $s=\left(x_{1}\left(x_{3}\right),x_{2}\left(x_{3}\right),x_{3}\right)\$ ve

$nds=n{\frac {\sqrt {dx_{1}^{2}+dx_{2}^{2}+dx_{3}^{2}}}{dx_{3}}}dx_{3}=n{\sqrt {1+{\dot {x}}_{1}^{2}+{\dot {x}}_{2}^{2}}}\ dx_{3}$

where${\dot {x}}_{k}=dx_{k}/dx_{3}$. Fermat prensibi şimdi şöyle yazılabilir;

$\delta S=\delta \int _{x_{3A}}^{x_{3B}}n\left(x_{1},x_{2},x_{3}\right){\sqrt {1+{\dot {x}}_{1}^{2}+{\dot {x}}_{2}^{2}}}\,dx_{3}$

$=\delta \int _{x_{3A}}^{x_{3B}}L\left(x_{1}\left(x_{3}\right),x_{2}\left(x_{3}\right),{\dot {x}}_{1}\left(x_{3}\right),{\dot {x}}_{2}\left(x_{3}\right),x_{3}\right)\,dx_{3}=0$

Bu aynı zamanda Hamilton prensibiyle aynı forma sahiptir fakat but x₃ klasik mekanikte zamanın rolünü alır. Fonksiyon$L\left(x_{1},x_{2},{\dot {x}}_{1},{\dot {x}}_{2},x_{3}\right)$ Lagrangian and Hamiltonian'un geometriksel optik formulasyonlarından türetilebilen optiksel Lagrangiandır.

Köken

Klasik olarak Fermat'ın prensibi Huygen prensibinin matematiksel sonucu olarak düşünülebilir. Gerçekte, uç noktaları olan sabit yollara sahip bütün ikincil dalgalar (bütün muhtemelen yollar boyunca) yapıcı girişimler etkisiyle katkı sağlar. Işığın A dan B ye başta tüm muhtemel geometriksel ve fiziksel optik kurallarıyla sınırlanmamış güzergahlarda türediğini varsayalım AB_j,. Çeşitli optiksel yollar AB_j fazla olan dalga boyu miktarıyla birlikte değişecektir ve B ye ulaşan dalga daha fazla çeşitli aşamaya sahip olacaktır ve yıkıcı bir şekilde karışmaya daha fazla eğilimli olacaktır. Fakat eğer kısa bir yol rota varsa B AB₀ ve optiksel yol bu yol üzerinde düzgünce değişiyorsa, AB₀ ye yakın önemli sayıda komşu yollar AB₀ densadece ikinci sıra miktarı olarak farklı optiksel yollara sahip olacaktır, bu yüzden yapıcı şekilde karışacaklardır. Bu kısa rotaya yakın ve bu rota boyunca olan dalgalar hakim olacaktır ve AB₀ ışığın aldığı yol olacaktır. Herhangi parçacık (örneğin proton ya da elektron) bütün mevcut olan kapatılmış yollar üzerinde türediğini ve dalga fonksiyonun bütün bu yolar üzerinde girişimi(toplam ya da superpozisyon)(gözlemcinin ya da dedektörün noktalarında ) bu parçacığın olası doğru algılamalarını verdiğini(bu noktada) anlatan Fermat prensibi kuantum elektrodinamiğinin başlıca prensibidir. Böylece, uç yollar (en kısa, en uzun ya da sabit) bu girişime birbirlerine sıfırlamadan yapabilecekleri en çok şekilde katkı sağlarlar. Dalgaların klasik mekaniğinde Fermat prensibini mekaniğin ekstremum prensibi takip eder.

Tarihi

Hero of Alexandria (Heron) (c. 60) A noktasından B noktasına giden bir ışık demeti birçok düz ayna yansımalarına uğrar ve aynı ortamda yakınındaki herhangi bir yoldan küçük bir yola sahip olduğunu anlatan yansıma prensibini tanımladı. İbni Heysem(Ibn al-Haytham-Alhacen), Book of Optics (1021) adlı kitabında, yansıma ve kırınım prensiplerini genişletti ve en kısa süre prensibinin ilk versiyonunu ifade etti. Onun deneyleri yunan bilim adamının Ptolemy yansıma üzerindeki çalışmalarına dayanıyordu. En az süre prensibinin genelleştirilmiş hali Fermat tarafından yazılan 1 ocak 1662 tarihli bir mektupta Cureau de la Chambre ‘ye beyan edildi. Mayıs 1662 de bu mektup optik alanında uzman olan ve o sıralar kartezyen için sözcülere öncülük eden Claude Clersselier'in itirazlarına maruz kaldı. Clerselier şunu ifade eder:

... Fermat prensibi bir neden olamaz, aksi hali olduğu halde biz bilgiyi doğaya atfetmiş olurduk ve bu durumda doğa sayesinde bizi yasallık ve dünyadaki bilgi dahilinde olmayan ve bir seçenek olmayan düzenin gerekli bir belirleme olduğunu anlıyoruz.

:

Orijinal Mahoney'den olan Fransızcası şöyledir;

Le principe que vous prenez pour fondement de votre démonstration, à savoir que la nature agit toujours par les voies les plus courtes et les plus simples, n’est qu’un principe moral et non point physique, qui n’est point et qui ne peut être la cause d’aucun effet de la nature.

Gerçekte, Fermat ilkesi tek başına var olamaz, Fermat prensibi Huygen prensibinden türetilebilir. Tarihsel olarak, Fermat ilkesi fiziksel yasaların değişken hesaplarına rehberlik eden bir prensiptir.