Всегда ли свет распространяется прямолинейно?

Короткий ответ: нет, не всегда. Свет идёт по прямой только в пределах приближения геометрической оптики — когда среда однородна и изотропна (показатель преломления постоянен), а все размеры препятствий и неоднородностей много больше длины волны света.

Где и почему это нарушается:

• На границах сред: при отражении и преломлении луч меняет направление по закону Снелла. Траектория становится «кусочно-прямой» — прямые участки между пересечениями границ.

• В неоднородных средах (n = n(r)): если показатель преломления меняется в пространстве, лучи искривляются. Это — прямое следствие принципа Ферма: свет выбирает путь с экстремальным оптическим путём $\int n\,ds$. Примеры: миражи в пустыне/над дорогой, атмосферная рефракция (Солнце «задерживается» у горизонта), градиентные линзы, «мерцание» звёзд.

• Дифракция и интерференция: когда размер отверстия/препятствия сравним с длиной волны, свет «огибает» края, даёт полосы — явно не прямолинейная картина распространения. Именно поэтому тени у тонких объектов не идеально резкие, а лазер через щель расходится веером.

• Рассеяние: на частицах пыли, каплях тумана и т. п. направление распространения меняется случайно; пучок «размывается».

• Оптические волокна и волноводы: в ступенчатом волокне путь — ломаная (полные внутренние отражения), в градиентном — плавно изогнутая траектория. В обоих случаях свет следует изгибу проводника.

• Гравитационное поле: в общей теории относительности свет идёт по нуль-геодезическим кривым пространства-времени, которые вблизи массивных тел искривлены. Отсюда — гравитационное линзирование (дуги и «кольца Эйнштейна»).

Когда можно считать, что свет идёт по прямой:

• среда однородна и изотропна;

• характерные размеры объектов и расстояния между границами много больше длины волны;

• нет сильных гравитационных полей и выраженных градиентов показателя преломления.

Именно в этих условиях работает интуитивная «прямолинейность» света из школьного курса (практика теней, перископы, простая лучевая оптика). Во всех перечисленных выше ситуациях волновая природа света, неоднородности среды или гравитация приводят к отклонениям от прямой.