آیا تا به حال به این فکر کرده‌اید که چرا صدا می‌تواند از گوشه دیوار عبور کند؟ یا چرا نور هنگام عبور از یک روزنه، دقیقا به شکل آن روی پرده نمی‌افتد؟ اصل هویگنس در تحلیل امواج به ما کمک می‌کند تا رفتار ظاهراً غیرمنطقی امواج را درک کنیم. اغلب تصور می‌کنیم امواج در خط مستقیم حرکت می‌کنند، اما شواهد نشان می‌دهد که این تصور همیشه درست نیست.

به عنوان مثال، وقتی کسی فریاد می‌زند، صدا در تمام جهات پخش می‌شود. اما اگر او در آشپزخانه‌ای با تنها یک در به سمت غذاخوری باشد، موج صوتی که به سمت در می‌رود از آن عبور می‌کند، در حالی که بقیه صدا به دیوار برخورد می‌کند. اگر غذاخوری به شکل L باشد و کسی در نشیمن که در گوشه دیوار و پشت در دیگری است حضور داشته باشد، باز هم صدای فریاد را می‌شنود. اگر صدا در یک خط مستقیم حرکت می‌کرد، این اتفاق غیرممکن بود، زیرا هیچ راهی برای حرکت صدا در گوشه دیوار وجود نداشت.

این پرسش توسط کریستیان هویگنس (۱۶۲۹-۱۶۹۵) مطرح شد. او که به خاطر ساخت برخی از اولین ساعت‌های مکانیکی و تأثیرش بر ایزاک نیوتن در توسعه نظریه ذره‌ای نور نیز شناخته می‌شود، با این اصل، درک ما از ماهیت امواج را متحول کرد.

تعریف اصل هویگنس

به زبان ساده، اصل هویگنس بیان می‌کند:

هر نقطه از جبهه موج را می‌توان به عنوان منبع موجک‌های ثانویه در نظر گرفت که با سرعتی برابر با سرعت انتشار موج، در تمام جهات پخش می‌شوند.

این یعنی چی؟ تصور کنید یک موج دارید. طبق اصل هویگنس، "لبه" این موج در واقع مجموعه‌ای از امواج دایره‌ای کوچک را ایجاد می‌کند. این امواج دایره‌ای در بیشتر موارد با هم ترکیب می‌شوند تا به انتشار موج اصلی ادامه دهند. اما در برخی موارد، اثرات قابل مشاهده و مهمی ایجاد می‌کنند.

جبهه موج را می‌توان به عنوان خطی مماس بر تمام این امواج دایره‌ای کوچک در نظر گرفت.

جالب است بدانید که نتایج مشابهی را می‌توان از معادلات ماکسول نیز به دست آورد. با این حال، اصل هویگنس (که قدمت بیشتری دارد) یک مدل مفید و اغلب برای محاسبات مربوط به پدیده‌های موجی راحت‌تر است. کار هویگنس حدود دو قرن قبل از جیمز کلرک ماکسول انجام شد، اما به نظر می‌رسد آن را پیش‌بینی کرده بود، بدون اینکه پایه نظری محکمی که ماکسول ارائه کرد را داشته باشد. قانون آمپر و قانون فارادی پیش‌بینی می‌کنند که هر نقطه در یک موج الکترومغناطیسی به عنوان منبع موج ادامه‌دار عمل می‌کند، که کاملاً مطابق با تحلیل هویگنس است.

اصل هویگنس و پراش (Diffraction)

وقتی نور از یک روزنه (سوراخی در یک مانع) عبور می‌کند، هر نقطه از موج نور داخل روزنه را می‌توان به عنوان منبع یک موج دایره‌ای در نظر گرفت که از روزنه به بیرون منتشر می‌شود.

بنابراین، روزنه به عنوان یک منبع موج جدید در نظر گرفته می‌شود که به شکل یک جبهه موج دایره‌ای منتشر می‌شود. شدت نور در مرکز این جبهه موج بیشتر است و با نزدیک شدن به لبه‌ها، شدت آن کاهش می‌یابد.

این پدیده، پدیده پراش را توضیح می‌دهد و نشان می‌دهد چرا نور عبوری از یک روزنه، تصویری دقیق از روزنه روی پرده ایجاد نمی‌کند. به عبارت دیگر، لبه‌ها بر اساس این اصل "پخش می‌شوند".

یک مثال رایج از این اصل در زندگی روزمره وجود دارد. اگر کسی در اتاق دیگری باشد و شما را صدا بزند، صدا به نظر می‌رسد که از درگاه می‌آید (مگر اینکه دیوارهای بسیار نازکی داشته باشید).

اصل هویگنس و بازتاب/انکسار

قوانین بازتاب و انکسار هر دو را می‌توان از اصل هویگنس استخراج کرد. نقاط روی جبهه موج به عنوان منابعی در امتداد سطح محیط انکساری در نظر گرفته می‌شوند. در این نقطه، موج کلی بر اساس محیط جدید خم می‌شود.

اثر بازتاب و انکسار، تغییر جهت امواج مستقلی است که از منابع نقطه‌ای ساطع می‌شوند. نتایج محاسبات دقیق با نتایجی که از اپتیک هندسی نیوتن (مانند قانون انکسار اسنل) به دست می‌آیند، یکسان است. اپتیک نیوتن بر اساس اصل ذره‌ای نور استوار است، اگرچه روش نیوتن در توضیح پراش ظرافت کمتری دارد.