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一张亮度照片没有记下什么?

同一束波可以用频率、亮度或相位描述。沿着转针画图、短音和全息曝光,逐步区分:信号里有什么,观察窗口怎样限制你,仪器又实际记下了什么。

本文的问题 · 4
  1. 先让想测的那根指针停下来
  2. 胶片只记亮度,怎样让相位留下痕迹?
  3. 把光分成两个分量,实验记录的究竟是哪一个数?
  4. 这是一次曝光,还是从许多次采样拼出的图?

先让想测的那根指针停下来

想象几根在纸上画轮廓的转针。你想量出其中一根,可眼前只有笔尖的合成运动。傅里叶级数的演示用了一个巧妙办法:让观察坐标系和目标指针同速旋转,再对一个完整周期求平均。目标分量静止,别的整圈转动平均为零。测量得到的是相对于这个参考系的分量,而不是在某一帧里认出哪段线属于它。

原文与时间戳 · 1
So taking the average of this modified function is a clever way to kill all the terms other than c2.
But what is a Fourier series? From heat flow to drawing with circles | DE4 · ▶ 19:55–20:01

把完整周期换成很短的录音,抵消未必来得及发生。相近的两个音在短时间内可能都与信号很吻合;短脉冲对定位到达时间有用,却不能同时给出任意窄的频率范围。级数演示里的「其他转针都抵消」有一个观察窗口的前提。

原文与时间戳 · 1
The shorter it lasts in time, the less certain you can be about what its exact frequency is.
The more general uncertainty principle, regarding Fourier transforms · ▶ 1:51–1:56

胶片只记亮度,怎样让相位留下痕迹?

假设两束同频光分别照相,亮度相同,只是波峰出现的时刻不同。胶片会把一段曝光时间内的强度累积起来,单独这样拍不能直接读出相位。全息摄影多加一束相干参考光:同相时相长、反相时相消,原本看不到的相对相位于是会改变曝光图样。记录的仍是亮暗,不是胶片突然变成了能追踪光场振荡的时钟。

原文与时间戳 · 1
When the first beam is in sync with that reference wave, the two will constructively interfere, producing a wave that has twice the amplitude, so the film gets exposed a lot at that point.
How are holograms possible? · ▶ 7:09–7:19

同样是波相加,折射演示读出的却不是亮暗条纹。入射波与玻璃内受驱动电荷辐射的波叠加,合成波的峰值可以偏移;一层层累积,看起来就是波峰在介质中走得慢了。第一个实验问「怎样把相对相位编码进记录」,第二个问「叠加怎样改变传播中的相位」。别把两个演示中的参考波、介质或测量量混成同一个装置。

原文与时间戳 · 1
a wave that's simply traveling slower, oscillating up and down with the same frequency
But why would light "slow down"? | Visualizing Feynman's lecture on the refractive index · ▶ 7:39–8:00

把光分成两个分量,实验记录的究竟是哪一个数?

上一节的胶片会积累一段时间内的强度。若把实验换成逐颗光子通过偏振片,单次读数变成「通过」或「没有通过」。讲解把输入偏振写成相对滤片方向的两个分量;与通过方向对应的幅度模平方给出通过概率。因此算出一个介于零与一之间的数之后,先写清它描述的是多次测量的频率,还是单次读数。把分量画成连续的箭头,并不会让探测器报告半颗光子。

原文与时间戳 · 2
the probability that a photon whose polarization is 22.5 degrees off the direction of a filter will pass through that filter
Some light quantum mechanics (with minutephysics) · ▶ 17:06–17:19
the choice of how to measure these objects can determine a set of base states
Some light quantum mechanics (with minutephysics) · ▶ 20:14–20:25

这是一次曝光,还是从许多次采样拼出的图?

Berry 在同一讲里展示由晶体学约束的分子模型和显微镜下的延时影像。Raskar 的拐角成像更进一步:相机收到的是绕行多次反射后抵达的光,再从多张采集的到达时间重建遮挡物。Jepsen 用散射迷宫解释为什么还要记录波穿过材料后的相对路径,才能有针对性地重新聚焦。把成图遮住,试着说出探测器直接给了什么,以及重建算法或额外参考记录补了什么。三段视频使用不同装置,全息去散射与光到达时间重建各有自己的条件。

原文与时间戳 · 4
This is DNA in its classic double helix form. And it's from X-ray crystallography, so it's an accurate model of DNA.
Animations of unseeable biology | Drew Berry | TED · ▶ 2:55–3:01
This is the way a living cell looks down a light microscope. And it's been filmed under time-lapse, which is why you can see it moving.
Animations of unseeable biology | Drew Berry | TED · ▶ 5:37–5:44
But then we will take a lot of such pictures, dozens of such pictures, put them together, and try to analyze the multiple bounces of light,
Imaging at a trillion frames per second | Ramesh Raskar · ▶ 7:40–7:46
If we record a hologram at the bottom inside of the screen, we can record the position and angle of each marble exiting the maze.
How we can use light to see deep inside our bodies and brains | Mary Lou Jepsen · ▶ 3:11–3:21

读完再想一步

如果只有一张曝光图,你还需要知道哪些条件才能谈相位?如果只有一段很短的录音,多做几位小数的计算能否代替更长的观察?