Каустика

Эта статья по оптике; не путать с «каустическими» веществами: содой, магнезитом, поташем

Каустика отражения солнечных лучей от цилиндрического зеркала

Каустика (от лат. жгучий) — огибающая семейства лучей, не сходящихся в одной точке. Каустики в оптике — это особые линии (в двухмерном случае) и особые поверхности, вблизи которых резко возрастает интенсивность светового поля.

Яркие световые кривые причудливой формы возникают на освещённом столе, на который поставлен наполненный водой бокал. Движущиеся каустики можно увидеть на дне неглубокого бассейна, водная поверхность которого находится в волнении. Радуга — разноцветная каустика, возникающая при преломлении солнечных лучей на дождевых каплях. Каустики возникают не только при распространении света, но и в ряде других волновых явлений. Корабельные волны можно считать каустикой гравитационных волн на воде. В работах Я. Б. Зельдовича показано, что за счёт гравитационной неустойчивости первоначально почти однородное распределение массы во Вселенной концентрируется на каустиках и приводит к образованию нитевидной крупномасштабной структуры вселенной. В астрономии оптические каустики можно использовать для определения геометрии компактного тёмного объекта — гравитационной линзы.

В рамках геометрической оптики каустики представляют собой линии и поверхности бесконечно малой толщины. В геометрическом плане каустика представляет собой эволюту волнового фронта; волновой фронт — эвольвенту каустики. С учётом волновых свойств света, каустики обязаны иметь некоторую толщину, заведомо не меньшую, чем длина волны света. Вблизи монохроматических каустик наблюдаются характерные интерференционные полосы, интенсивность которых описывается функцией Эйри. Теория каустик напрямую связана с одним из разделов современной математики — теорией катастроф. В дифференциальных уравнениях каустики соответствуют опрокидыванию решений.

Кривые и их каустики

Кривая	Источник света	Каустика
Окружность	На плоскости	Кардиоида
Окружность	Не на плоскости	Улитка Паскаля
Окружность	Бесконечность	Нефроида
Парабола	Лучи, перпендикулярные директрисе	Кривая третьего порядка Чирнгаузена
Кривая Чирнгаузена	Фокус	Полукубическая парабола
Циссоида Диоклеса	Фокус	Кардиоида
Кардиоида	Касп	Нефроида
Четырёхлистник	Центр	Астроида
Дельтоид	Бесконечность	Астроида
Логарифмическая спираль	Центр	Логарифмическая спираль
Циклоида	Лучи, перпендикулярные линии через каспы	1/2 Циклоиды
$y=E^x$	Лучи, перпендикулярные y-лучу	Цепная линия

См. также

• Конические сечения (фокусы)

Литература

• Арнольд В. И. Теория катастроф. М.: Наука, 1990.
• Арнольд В. И. Особенности каустик и волновых фронтов. М.: Фазис, 1996.
• Nye J. F. Natural focusing and fine structure of light: caustics and wave dislocations. Institute of Physics Pub., 1999.

Ссылки

• Богданов М. Б., Черепащук А. М., «Взгляд на квазар сквозь гравитационную линзу» — Природа, № 1, 2005
• Legendre Collapse — интерактивный симулятор каустик.