Dlaczego baseny wyglądają na płytsze niż są w rzeczywistości?

Gdy patrzymy na basen, rzeczy nie wyglądają tak, jak powinny. W rzeczywistości wydaje się, że wszystko jest trochę zgniecione, a sam basen jest płytszy niż powinien być. Powód tego ma związek z tym, jak światło przemieszcza się przez wodę i powietrze.

Fale świetlne

Światło pochodzące ze źródła lub odbijające się od obiektu porusza się na zewnątrz w postaci fali. Tak jak fala wodna na powierzchni basenu rozchodzi się na zewnątrz w rozszerzającym się okręgu, tak fala świetlna (lub jakakolwiek inna fala poruszająca się w trzech wymiarach) rozchodzi się na zewnątrz w rozszerzającej się sferze. Kiedy sfera światła napotyka przedmiot lub powierzchnię, oświetla ją. Kiedy przechodzi do innego ośrodka, np. kiedy światło opuszcza wodę i wchodzi do powietrza, coś się dzieje z falą.

• Światło pochodzące ze źródła lub odbijające się od obiektu porusza się na zewnątrz w postaci fali.
  
• Kiedy przechodzi do innego ośrodka, np. kiedy światło opuszcza wodę i wchodzi do powietrza, coś się dzieje z falą.

Natura światła

Tożsamość fali świetlnej sięga głęboko w sferę mechaniki kwantowej, ale dla naszych celów możemy myśleć o niej jako o fali pól elektrycznych i magnetycznych. Kiedykolwiek pole elektryczne porusza się, tworzy pole magnetyczne, a pole magnetyczne z kolei tworzy więcej pól elektrycznych. Razem, te dwa pola wytwarzają falę energii, którą postrzegamy jako światło. To dlatego światło jest również określane jako promieniowanie elektromagnetyczne.

• Tożsamość fali świetlnej sięga głęboko w sferę mechaniki kwantowej, ale dla naszych celów możemy myśleć o niej jako o fali pól elektrycznych i magnetycznych.

Światło i ośrodki

Światło podróżuje ze stałą prędkością przez próżnię, prędkością światła. Jednakże, gdy światło podróżuje przez medium (takie jak powietrze, woda lub szkło), porusza się nieco wolniej. Ponieważ światło składa się z pola elektrycznego i magnetycznego, naładowane elektrycznie cząsteczki odczuwają jego obecność. Gdy fale świetlne przechodzą przez środek, drgają one nieco wszystkimi protonami i elektronami w ośrodku, a drgania te powodują, że cząsteczki emitują własne promieniowanie elektromagnetyczne nieco później niż pierwotne światło. Kiedy te opóźnione fale sumują się, powstaje fala świetlna o tej samej częstotliwości, ale krótszej długości fali, co daje efekt, że światło porusza się wolniej przez ośrodek.

• Światło porusza się ze stałą prędkością przez próżnię, prędkością światła.
  
• Gdy te opóźnione fale sumują się, daje to falę świetlną o tej samej częstotliwości, ale krótszej długości fali, dając efekt światła poruszającego się wolniej przez ośrodek.

Refrakcja

Jak fala świetlna przechodzi do nowego ośrodka, zmienia prędkość. Tej zmianie prędkości towarzyszy zmiana kąta. Klasyczną analogią dla tego zjawiska jest orkiestra marszowa. Wyobraźmy sobie efekt, jaki wywiera na szeregi muzyków przejście z gładkiego chodnika w błotniste grzęzawisko, spowalniające maszerujących. Przejście jest pod kątem, tak że lewa strona grupy uderza w błoto jako pierwsza, a następnie prawa. Jak można sobie wyobrazić, jeśli wolniejsi maszerujący po lewej stronie chcą pozostać w jednej linii z szybszymi po prawej, wszyscy muszą nieco zmienić kierunek. Kiedy wszyscy są już w błocie, poruszają się trochę na lewo od swojego pierwotnego kierunku. W ten sam sposób czoło fali świetlnej zmienia kierunek, gdy przechodzi z jednego ośrodka do drugiego.

• Jak fala świetlna przechodzi do nowego ośrodka, zmienia prędkość.
  
• W ten sam sposób czoło fali świetlnej zmienia kierunek, gdy przechodzi z jednego ośrodka do drugiego.

Efekty

W ten sposób załamanie światła tworzy iluzję płytkiego basenu. Gdy patrzysz w dół na basen, widzisz światło, które zmieniło kąt, gdy wychodzi z wody i przechodzi do powietrza. W szczególności, światło porusza się szybciej w powietrzu niż w wodzie. Światło wychodzące z dna basenu załamuje się w dół i dociera do Twoich oczu pod płytszym kątem. Widzimy dno basenu nieco wyżej i dalej niż jest w rzeczywistości.

• W ten sposób załamanie światła tworzy iluzję płytkiego basenu.
  
• Światło wychodzące z dna basenu załamuje się w dół, aby dotrzeć do naszych oczu pod płytszym kątem.