2.3: Principio de Fermat
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El punto de partida del tratamiento de la óptica geométrica es el muy potente.
El camino seguido por un rayo de luz entre dos puntos es el que menos tiempo tarda.
La velocidad de la luz en un material con índice de refracción n, es c/n, donde c = 3 × 10 8 m/s es la velocidad de la luz en vacío. En la época de Fermat, la convicción era que la velocidad de la luz debía ser finita, pero nadie podía sospechar lo increíblemente grande que es en realidad. En 1676 el astrónomo danés Ole Römer computó la velocidad de inspeccionar los eclipses de una luna de Júpiter y llegó a una estimación que solo era 30% demasiado baja.
Dejar\( \textbf{r}(s)\), ser un rayo con s el parámetro de longitud. El rayo une dos puntos S y P. Supongamos que el índice de refracción varía con la posición:\(n(\textbf{r})\). Sobre la distancia infinitesimal de\(s\) a\(s + ds\), la velocidad de la luz es
\[\dfrac{c}{n( \textbf{r} (s))}. \nonumber \]
De ahí que el tiempo que tarda la luz en pasar de\(\textbf{r}(s)\) a\(\textbf{r}(s + ds)\) es:
\[dt=\dfrac{n(\textbf{r}(s))}{c}ds, \nonumber \]
y el tiempo total para pasar de S a P es:
\[t_{S→P}=\int\limits_{0}^{s_{P}}\dfrac{n(\textbf{r}(s))}{c}\, ds, \nonumber \]
donde s P es la distancia a lo largo del rayo de S a P. La longitud de la trayectoria óptica [m] del rayo entre S y P se define por:
\[OPL=\int\limits_{0}^{s_{P}}n(r(s))\, ds, \nonumber \]
Entonces el OPL es la distancia ponderada por el índice de refracción.
El principio de Fermat es así equivalente a la afirmación de que un rayo sigue el camino con OPL más corto.
En realidad, el principio de Fermat tal como se formuló anteriormente no es completo. Hay circunstancias en las que un rayo puede tomar dos caminos entre dos puntos que tienen diferentes tiempos de viaje. Cada uno de estos caminos corresponde entonces a un tiempo mínimo de viaje en comparación con los caminos cercanos, por lo que el tiempo de viaje es en general un mínimo local. Un ejemplo es la reflexión por un espejo que se discute en la siguiente sección.