自然光所包含的各不同方向的偏振光，为什么不会相互干涉？
2024-11-19 阅读 19
更新于 2024年11月21日
你可以取一下平均来看看。
我们来考虑两束自然光的干涉。假设某时刻相叠加的两束光A、B相位差为Delta，则叠加后光的振幅的平方变成了A^2+B^2-2ABcos(Delta)，而Delta在0-2pi随机取值，故cos(Delta)的平均为0，故叠加后的平均振幅平方为A^2+B^2，即原来二者光强之和，且取向依然随机。（提示：光强正比于振幅的平方）
最简单的回答已经有人说了，我们观测的是光强，也就是场强平方的时间平均，所有只要这段时间区间里总的电场强和磁场强不全部为0，那就不会出现观测为0的情况。
我从更现实的角度讨论下太阳光/自然光的建模。我们不考虑大气折射散射和激发光谱（无关紧要），只考虑太阳的热辐射的话，它遵守普朗克分布。意思是太阳中的大量的发光原子，由于他们之间达成热平衡，这团东西内部的电偶极振子发出的总辐射场必须遵守三维正态/玻尔兹曼分布。也就是说，当我们观测这个集体物质所产生的电场的时候，我们应该可以粗略地把太阳光图像化为从［0,π）每个角度上都有一个大量分子在某一个方向上振动的等效偶极子产生的正弦电场，而他们的相位显然因为碰撞等随机过程而随机取值。
图片来源：https://www.olympus-lifescience.com/ko/microscope-resource/primer/lightandcolor/polarization/
至于振幅，严格来说我们需要追踪每个原子的状态来研究这个问题，但对于热辐射我们可以用热力学来极大的简化问题，因为热平衡保证了辐射遵守各向同性的玻尔兹曼分布，所以我们的振幅在分子发光时间尺度的取平均后（我们观测自然光时无法区分每个振子发出的光，只要他们的波长/频率一致）也一定是在各方向一样的。
那么在考虑自然光/热辐射/白炽灯的时候，可以考虑从［0,π）每个角度上都有一个等振幅的正弦电场，相位随机。所以合成的总电场更像一个在二维平面里随机指向，在总能量允许的情况下场强随机取值的箭头。你说的振幅应该是这个场强的瞬间取值，我不喜欢用振幅来描述非正弦的波，因为定义不是很明确，而这种随机过程显然不是正弦的。
那么显然，这个总电场在观测光强用来平均的这段时间里里基本很难全为0（实际不可能），那么观测光强的时候也就不会发现所谓的完全相消干涉。
我个人认为光学多做做实验能带来很多直觉，不要太把理论计算当回事，很多计算实际都是平均场论，真正从第一原理构建的光学很复杂。
这个你得根据数学推导来看，不是所有电磁场都能发生耦合，得在同一个希尔伯特空间中有平行分量的两个波才能干涉，否则他们不属于同一时空，不能干涉。
因为“自然光”或者叫“非偏振光”就是这样定义的。如果相互干涉，就含有偏振光成分，要么是“完全偏振光”，要么是“部分偏振光”。这自然就不是所谓的“自然光”了。
一种可能是光的波粒二象性吧。
在更大的尺度上光呈波动性。
在更小的尺度上光呈粒子性。
