Прямолинейное распространение света — это фундаментальное явление, лежащее в основе геометрической оптики. Свет, как волновое или корпускулярное проявление электромагнитного излучения, в однородной и прозрачной среде распространяется по прямой линии. Это утверждение не является следствием сложных теоретических построений, а устанавливается непосредственным наблюдением и подтверждается множеством опытов.
Свет распространяется прямолинейно только в однородной среде, то есть в такой, где показатели преломления и физические свойства вещества не меняются в пространстве. В неоднородной или турбулентной среде, например в нагретом воздухе над костром или раскалённой поверхности дороги, луч света может искривляться, что проявляется в виде миражей.
Прямолинейность можно экспериментально наблюдать в таких простых опытах:
В геометрической оптике свет моделируется световым лучом — направленной линией, вдоль которой передаётся энергия света. Эта модель эффективна в тех случаях, когда размеры объектов намного превышают длину волны света, и волновые эффекты (дифракция, интерференция) можно не учитывать.
Световой луч:
Принцип работы камеры-обскуры (тёмной камеры с маленьким отверстием) основан на прямолинейности распространения света. Свет от объекта проходит через отверстие и проецирует перевёрнутое изображение на противоположной стенке. Это возможно только в том случае, если световые лучи движутся по прямой. Любое отклонение от прямолинейности привело бы к размытию или искажению изображения.
Формирование теней также демонстрирует прямолинейное распространение света. Если непрозрачное тело освещается точечным источником света, за ним возникает чёткая тень, ограниченная геометрией распространения лучей. Чем меньше размер источника света по сравнению с препятствием, тем более резкой будет граница тени.
Если источник света протяжённый, то возникает область полутени, в которой часть источника всё ещё освещает участок за препятствием, а часть — нет. Это явление невозможно объяснить, не прибегая к представлению о прямолинейных лучах.
Солнечные лучи наглядно иллюстрируют прямолинейность распространения. При наблюдении солнечного затмения, когда Луна заслоняет Солнце, образуется чёткая тень на поверхности Земли. Аналогично, лазерные лучи, испускаемые в однородной среде (например, в воздухе), видны как узкие прямые световые дорожки, особенно если в среде присутствуют мелкие частицы пыли или дыма, рассеивающие свет.
Прямолинейность лучей лежит в основе закона отражения (угол падения равен углу отражения) и закона преломления (закон Снеллиуса). Эти законы можно строго вывести, используя принцип Ферма: свет выбирает путь, при котором время прохождения между двумя точками минимально. В однородной среде этот путь будет прямой.
Следует понимать, что прямая траектория света — идеализация, применимая только в определённых условиях. В действительности свет — это электромагнитная волна, и вблизи краёв отверстий, щелей, на границах сред и при прохождении через узкие щели наблюдаются волновые эффекты — прежде всего дифракция и интерференция. В этих случаях свет может огибать препятствия и отклоняться от прямолинейной траектории. Однако при достаточно больших масштабах объектов эти отклонения становятся пренебрежимо малыми.
Идея прямолинейного распространения света была известна ещё в античности. Евклид и Герон Александрийский уже использовали её для объяснения отражения. Позднее в средневековой и исламской оптике (Ибн аль-Хайсам) эта концепция приобрела экспериментальное подтверждение. В эпоху Возрождения и в Новое время принцип прямолинейного распространения стал краеугольным камнем классической оптики, позволив построить систематическую теорию изображения и линз.
В курсе геометрической оптики, прямая линия, вдоль которой движется свет, называется оптической осью. В сложных оптических системах, таких как многолинзовые объективы, каждое изменение направления луча (преломление, отражение) вычисляется с использованием предположения, что между точками взаимодействия со средой свет продолжает двигаться по прямой.
Каждая точка предмета испускает лучи во всех направлениях. Только те из них, которые проходят через линзу или зеркальную поверхность и доходят до экрана или сетчатки глаза, формируют изображение. Конструкция изображений с помощью лучевых диаграмм базируется на предположении прямолинейного хода лучей, что делает эту гипотезу краеугольной в практическом анализе.