¿Qué es lo que realmente hace que la luz/los fotones aparezcan más lentos en los medios?

Parece que ya estás familiarizado con la explicación clásica, pero aún sientes curiosidad por la versión cuántica.

2. diferencia de fase entre la luz absorbida y emitida

Sí, esta es esencialmente la contribución de orden más bajo al cambio de fase en la dispersión fotón-electrón. Esta es la forma descuidada de visualizarlo continuamente (este es básicamente el punto de vista de la 'dispersión de onda EM clásica'): puedes imaginar que la "energía cinética" (-> frecuencia) del "fotón" aumenta a medida que se acerca al átomo. potencial bien y luego vuelve a su frecuencia normal al salir del átomo. Esto se traduce en un aumento neto en la fase ($(n-1)\omega/c$).

1. "velocidad de deriva" de los fotones (no son los mismos fotones, se vuelven a emitir todo el tiempo)

¿Por "velocidad de deriva" te refieres a un movimiento en zigzag similar al de un pinball del fotón? Esto no contribuirá tanto porque requiere más dispersión (básicamente es un proceso de orden superior).

Y también, todavía no entiendo los detalles del proceso de absorción-emisión.

Sí, la absorción seguirá ocurriendo en todo el rango de frecuencia. El hamiltoniano del átomo será modificado por el campo (por$- p \cdot E$donde p es el momento dipolar del átomo y E es el componente del campo eléctrico de la luz). Esto nos dará el nivel de energía necesario para absorber momentáneamente el fotón, que será reemitido de nuevo por emisión estimulada+espontánea.

editar: aclaración, el término 'nivel de energía' es engañoso, ya que el átomo 'excitado' temporalmente no está en un estado propio de energía real.

Vea el diagrama aquí: http://en.wikipedia.org/wiki/Raman_scattering

Además de todo lo dicho, me gustaría comentar lo siguiente:

Sabemos que la velocidad real de la luz en realidad no cambia, la disminución de la velocidad es solo aparente. El material está mayormente vacío, la luz seguirá viajando con c en el espaciado.

1) La velocidad de la luz cambia . Es la velocidad de la luz en el vacío que no lo hace.

2) Una respuesta muy breve a su pregunta: la luz es, por así decirlo, 'más grande' que el espacio interatómico. Por lo tanto, no hablaría de viajar en el espacio.

Esta situación es similar a la de un humano que corre a través de los arbustos en lugar de correr en un bosque. Debido a que eres más grande que las ramas individuales de un arbusto, interactúas con el arbusto de una manera diferente que con los árboles en el bosque.

Puede ser que una ilustración con una fibra óptica de diámetro de longitud de onda inferior podría ayudar a ver el problema desde otro lado. Esta fibra es más delgada que la longitud de onda de la luz. Por ejemplo, medio micrón de diámetro para una luz de 1 um. A medida que la luz se propaga a través de una fibra de este tipo (que se puede hacer básicamente con una transmisión del 100 %), el campo de luz no "encaja" en la fibra y aproximadamente la mitad de la energía se propaga fuera de la fibra. Sin embargo, no se da el caso de que la parte exterior de la luz vaya más rápido que la interior de la fibra. La onda permanece sola, viajando con la velocidad de

dónde$n_\text{eff}$es el índice de refracción efectivo, que está entre 1 (el índice de refracción aparente para la parte exterior de la onda) y$n_\text{glass}$(para el interior).

Entonces, la luz es 'más grande' que la distancia entre átomos y, por lo tanto, 'verá' continuamente los átomos.

En general, no creo que sea útil tratar de analizar estas cosas en términos de fotones, así que intentaré señalar algunas cosas sobre la imagen clásica.

La gran dificultad desde la perspectiva matemática es que estás trabajando en un medio continuo donde la fase de la onda cambia continuamente. Hace que la visualización sea mucho más fácil para comenzar si nos restringimos a una losa delgada, donde "delgada" significa pequeña con respecto a la longitud de onda.

Sabemos que existe una constante dieléctrica que representa la tendencia de las cargas a desplazarse en respuesta a un campo externo. Pero, ¿qué tan rápido responden los cargos? ¿Es un caso cuasiestático, donde la máxima intensidad de campo coincide con el máximo desplazamiento de carga? Creo que encontraremos que este es el caso, por ejemplo, cuando la luz viaja a través del vidrio.

Tenga en cuenta que en este caso la corriente de desplazamiento se adelanta al campo incidente en 90 grados. Esto tiene sentido: a medida que la frecuencia de la luz se acerca a la frecuencia de resonancia del material, la fase se retrasa cada vez más; cuando la diferencia de fase llega a cero, tienes absorción resonante. (EDITAR: para ser más claro, ¡elijo definir la diferencia de fase en términos de su relación de campo lejano con el campo incidente!) En el caso de la losa delgada, puede ver que la onda transmitida es la suma del incidente onda y una onda generada por la corriente de desplazamiento. Debido a que está absorbiendo, la fase en el campo lejano debe ser opuesta para que la energía se elimine de la onda incidente.

Es instructivo hacer el balance de energía. Digamos que la corriente de desplazamiento genera una onda igual al 2% de la onda incidente. Entonces la amplitud de la onda reflejada es del 2% y la onda transmitida es del 98%. Es fácil calcular (al cuadrar las amplitudes) que falta casi el 4% de la energía. ¿A dónde va? Aumenta continuamente la amplitud de la corriente de desplazamiento hasta que las pérdidas resistivas en el material son iguales a la potencia extraída de la onda incidente.

Volvamos ahora al caso del medio transparente. Tome el mismo valor para la corriente de desplazamiento, es decir, 2%. La onda reflejada es la misma, pero la onda transmitida es diferente porque ahora está agregando fasores que están a 90 grados entre sí, por lo que la amplitud de la onda transmitida, en primer orden, no cambia.

Es la fase la que es confusa. Debido a que estamos en el régimen cuasiestático, la fase es líder. En cualquier caso, debe ser líder en comparación con el caso de absorción. ¿No queremos una fase de retraso para frenar la ola? Aquí es donde hay que tener mucho cuidado. Debido a que estamos agregando una fase principal, los picos de onda ocurren antes que de otra manera... en otras palabras, están muy juntos. De hecho, esta es la condición para que una onda viaje más lentamente. Todo es muy confuso, por eso tomé el caso de una losa delgada para que las matemáticas fueran más simples. Sea la onda incidente

sin(kx-peso)

Entonces la onda generada por la losa será

0,02*cos(kx-peso)

Tenga en cuenta que la onda coseno adelanta a la onda sinusoidal en 90 grados. Si dibuja estas dos ondas en un gráfico y las suma, puede ver que los picos de la onda sinusoidal se desplazan ligeramente hacia la izquierda. Esto hace que la onda parezca ligeramente retrasada.

El caso continuo es más difícil de hacer matemáticamente, pero puedes ver que debería seguir tratándolo como una serie de losas.

El campo electromagnético, al viajar a través de un medio, induce la polarización$\mathbf{P}$y magnetización$\mathbf{M}$de este medio. Los campos auxiliares$\mathbf{D}$y$\mathbf{H}$que aparecen en las ecuaciones macroscópicas de Maxwell se definen en términos de cantidades físicas verdaderas como

Observación: tenga en cuenta que lo anterior se aplica igualmente a la descripción clásica y cuántica de la respuesta eléctrica y magnética, siempre que definamos la velocidad de los fotones a través de su ecuación de onda. [1]: https ://física.stackexchange.com/a/661720/247642

Trataré de dar una explicación física más completa de por qué la luz se ralentiza dentro de un medio transparente como el vidrio y por qué esta desaceleración en la velocidad es solo aparente y la velocidad de los fotones dentro del medio permanece fija en c, la velocidad de la luz en un vacío, viajando a través del espacio de vacío entre los átomos del vidrio.

Durante muchos años, los físicos han tenido problemas para explicar físicamente por qué la luz se ralentiza al pasar del aire, índice de refracción n1~1, a un medio transparente más denso como el vidrio, n2~1,5, pero con la velocidad de los fotones que se propagan a través del medio (vidrio) todavía en una velocidad fija c?

Se dan muchas explicaciones diferentes, tanto clásicas como cuánticas [1] [2], algunas son correctas y otras incorrectas, pero encuentro que todas fallan en explicar completamente física e intuitivamente el fenómeno.

Feynman caracteriza esta caída de la velocidad de la luz como aparente [3] :

“Nuestro problema es entender cómo se produce esa velocidad aparentemente más lenta”.

Trataré aquí de dar una explicación física diferente que compila sin embargo con lo que sabemos sobre la luz y la materia. Sin embargo, antes de hacerlo, debemos distinguir entre los conceptos de velocidad de fase y velocidad de grupo de la luz en un medio transparente como el aire, el agua o el vidrio.

Figura 1 Velocidad de grupo frente a velocidad de fase para un pulso láser

Simplemente, como se muestra en la figura 1, la velocidad de fase se deriva del tiempo que tarda el frente de un pulso láser (es decir, la longitud del pulso puede ser de unos pocos mm) para alcanzar el objetivo de destino, mientras que la velocidad de grupo es la velocidad real por que cada punto del pulso láser se mueve a través del espacio con todos los puntos que tienen la misma velocidad, es decir, la velocidad del grupo. Cuando nos referimos a la velocidad de los fotones c=3x10E8 m/s en el pulso láser, nos referimos únicamente a la velocidad del grupo con cada punto del pulso láser siendo un fotón. Cuando nos referimos a todo el pulso láser, podemos elegir su velocidad de grupo o su velocidad de fase. Tenga en cuenta estas descripciones y definiciones, ya que serán importantes para explicar el fenómeno más adelante.

También el otro punto importante de entender es que a nivel de escala cuántica no hay nada rígido o sólido sino un mar complejo de campos interactivos (QFT) de flujo electromagnético y ondas de flujo electromagnético como distorsiones de campo similares a las distorsiones dentro del agua como una analogía aproximada.

Otro punto es que, aunque el fotón desnudo se considera en la literatura como un punto adimensional, su forma física real cuando dentro de un medio de materia condensada está revestido con un campo o energía de flujo electromagnético que se parece mucho no a un punto sino a una pequeña esfera. El tamaño del campo esférico de fotones vestidos varía según su longitud de onda. Las longitudes de onda más grandes se traducen en esferas de fotones vestidos de mayor tamaño y las longitudes de onda cortas en esferas de fotones vestidos de tamaño pequeño. En la figura 2 demostramos y explicamos físicamente todo el fenómeno utilizando un pulso de láser verde. La longitud de onda de los fotones en el láser verde es λ=630nm en el aire, representada como el tamaño del perímetro de las esferas verdes que se muestran en la fig.1. La longitud del pulso láser es de unos pocos mm representados como la longitud de la línea roja en la fig.1. La figura 1 no debe escalarse:

Figura 2 Los fotones que viajan a una velocidad de grupo fija c dentro del medio transparente como el vidrio, tienen un tamaño de vástago (es decir, longitud de onda), por lo tanto, la longitud total pero también la velocidad de fase del pulso láser se reducen en un 40 % en comparación con la velocidad de grupo de los fotones.

Como se explica e ilustra mejor en la figura 2, los fotones que pasan del campo de materia mucho menos denso del aire al campo de materia mucho más denso del vidrio, como lo indica su índice de refracción, experimentan una reducción de longitud de onda y se reducen en tamaño en un 40 %. . Por lo tanto, su velocidad de fase y también la longitud total del pulso láser y su velocidad de fase se reducen efectivamente en la misma cantidad en un 40 %.

Usando una analogía aproximada, por ejemplo, es como en el caso de un caballo velocista (en analogía con el pulso láser) corriendo un carril relativamente corto hasta la línea de meta, justo después de pasar la línea de salida de repente se reduce en tamaño y aunque su velocidad permanece sin cambios, ahora tiene que recorrer más distancia hasta que su frente corte la línea de meta. Por lo tanto, su tiempo para terminar aumenta, por lo que su velocidad de fase efectiva registrada ha disminuido en comparación con su velocidad real de funcionamiento, por lo tanto, su velocidad de grupo.

Hay dos últimos puntos a cubrir para explicar para completar nuestra explicación del fenómeno.

Hay algunas opiniones expresadas por otros de que el fotón interactuará fuertemente con los átomos del vidrio causando fenómenos como dispersión, absorción-reemisión, etc. Sin embargo, esto no está respaldado por nuestra experiencia de la vida cotidiana. El rayo láser sale directamente a través del vidrio con una pérdida insignificante de intensidad y sin ninguna dispersión del rayo. Estos han sido descartados por nosotros pero también por otros 4 5. El fotón de luz verde de 600 nm de tamaño en el caso de la luz visible que se muestra en la figura 2 no interactúa con los átomos de Si de ~100 picómetros del vidrio (el fotón es 6000 más grande que el átomo) y los atraviesa, viajando a través del espacio de vacío entre los átomos a una velocidad de grupo de velocidad fija c. Por supuesto, una mínima risita en el campo del átomo está presente por el paso del fotón y se registra como una pequeña distorsión relativa en movimiento en el campo de materia del vidrio.

El siguiente punto que tenemos que aclarar es que de acuerdo a la siguiente ecuación:

Pero también lo que se sabe en física, que la frecuencia f de los fotones (es decir, el número de fotones que pasan por unidad de tiempo, por lo tanto, qué tan intenso es el pulso del rayo láser) del pulso láser (ver fig.1) no se verá afectado por los dos medios diferentes que se muestran en la fig. 2 y permanecerá sin cambios. Esto se ilustra en la figura 2, donde la distancia de separación de los fotones en el aire y en el vidrio sigue siendo la misma que se muestra. Por lo tanto, la reducción de la longitud total del pulso láser y, en consecuencia, la reducción de la velocidad de fase$V_{P}$son directamente proporcionales, sólo a la reducción de la longitud de onda λ, tamaño del fotón.

Otros investigadores sugieren que el fotón ya no es una partícula sin masa cuando pasa a través de un campo de materia densa como el del vidrio y se convierte en algo diferente llamado polaritón [4]que tiene masa y, por lo tanto, reduciría la velocidad de su grupo por debajo de c. Se ofrece como una explicación alternativa de un fotón deformado (es decir, polaritón) que en realidad tiene una velocidad de grupo menor que c. Aunque estas cuasipartículas son reales en algunos materiales semiconductores, descarto esta explicación con respecto a la materia transparente como el vidrio, ya que esto también sugeriría una interacción más fuerte del rayo láser en su camino con los átomos en el vidrio que no observamos ya que un láser continuo El haz sale prácticamente inalterado en sus características, frecuencia, intensidad y espesor. Esto es muy evidente con un ángulo de incidencia de 0° entre el haz y el vidrio, donde no hay refracción y los vectores eléctrico y magnético de los fotones se comprimen uniformemente.

Los fotones viajan más lentamente en diferentes medios, en última instancia, debido a la conservación de la energía. Un fotón es un cuanto fijo de energía que se expresa como un campo EM oscilante que viaja por el espacio. Por lo tanto, para conservar energía cuando se viaja a través de un medio dieléctrico con una permitividad menor que el vacío, se debe reducir la tasa de oscilación y, en consecuencia, la velocidad a la que viaja la luz. Por lo tanto, es una restricción lógica impuesta por la naturaleza de la luz como campo EM oscilante y conservación de la energía.

No hay absorción ni emisión involucradas: los mismos fotones continúan a través del medio.

El campo eléctrico del fotón se acopla débilmente al campo dieléctrico de las moléculas constituyentes de un medio. Esta interacción débil arrastra al fotón dándole una masa efectiva m* y una velocidad v más lenta cuando viaja a través de él. Los fotones de alta frecuencia tienen campos eléctricos más fuertes que los fotones de baja frecuencia y, por lo tanto, el acoplamiento es mucho más fuerte para los fotones de alta frecuencia. La cantidad de movimiento se conserva ya que hk/2pi= m*v al entrar o salir del medio.

Una respuesta muy simple: el fotón es absorbido por los constituyentes del medio (que no es continuo), luego de lo cual es reemitido en su mayor parte en la misma dirección.

Este proceso requiere tiempo, por lo que la velocidad efectiva de la luz en el medio se reduce, mientras que la velocidad de la luz entre la absorción y la reemisión se mantiene igual a la velocidad de la luz en el vacío.

¡La alternativa NO es cierta!

Véase también aquí en Wikipedia.

Veo que las respuestas no cubren algunas cosas.

1. La velocidad de la luz siempre es c en el espacio vacío cuando se mide localmente. Si mides la velocidad de la luz al lado del sol (vista desde la Tierra), verás que es menor que c, eso es causado por el efecto Shappiro, que consiste básicamente en dos cosas. Los relojes n.º 1 corren más lento al lado del sol (debido a la gravedad del sol), visto desde la tierra, por lo que (velocidad = distancia/tiempo) la velocidad será más lenta, porque divides la distancia por una mayor cantidad de tiempo (divides por el tiempo transcurrido en su reloj aquí en la Tierra, que avanza más rápido). #2 la distancia que recorre la luz se vuelve un poco más corta (vista desde la Tierra) porque el espacio-tiempo continuo se dobla por la gravedad del sol, por lo que divide una distancia más corta por un tiempo más grande, por lo que obtiene una velocidad que es menor que c.

2. La velocidad de la luz (onda EM, que consta de fotones) siempre es c cuando se mide localmente en el espacio vacío. Si mide la velocidad de la onda EM dentro de un material, incluso el aire, obtendrá una velocidad menor que c.

3. La velocidad de los fotones siempre es c cuando se mide localmente. Sin embargo, la onda EM que consiste en fotones tendrá una velocidad menor que c dentro de un medio. Esto se debe a que el frente de onda EM se ralentizará en el medio. Los fotones, por otro lado, viajarán en el espacio dentro del medio con velocidad c siempre. O viajarán en el espacio vacío dentro del medio o serán absorbidos y reemitidos. El campo de electrones alrededor del núcleo de los átomos absorberá y reemitirá los fotones, es decir, la interacción que tendrán los fotones con el medio, aparte de eso, los fotones viajarán en el espacio vacío.

4. Ahora, en términos de QM, la absorción y la reemisión en sí son instantáneas. ¿Por qué el propio frente de onda se está desacelerando en el medio?

5. Es la interacción EM la que necesita tiempo. Para el átomo de H es en promedio 10^-8 seg. La interacción EM en sí misma es la absorción y la reemisión (y el estado excitado del campo de electrones y el regreso al estado normal).

6. ¿Cómo se mide la velocidad de la onda EM dentro del medio? Mide el tiempo transcurrido entre el momento en que los primeros fotones de la onda EM (el frente de onda) ingresan al medio y el momento en que los primeros fotones (el frente de onda) salen del medio.

7. Debido a que la interacción EM necesita tiempo, cuanto más denso sea el medio, más se ralentizará la onda EM. Porque cuanto más denso es el medio, más átomos hay por cierto grosor del medio, y más interacción EM tendrán que hacer los fotones para atravesar el medio. Cuanta más interacción, más tiempo necesitará viajar el frente de onda EM.

Entonces, su pregunta, por qué la velocidad de fase de la luz será más lenta, puede responderse aclarando eso:

1. la desaceleración es en términos del frente de onda EM únicamente, y porque medimos la velocidad de la onda EM midiendo el tiempo entre el momento en que el frente de onda entra y sale del medio.

2. Los fotones no disminuirán la velocidad. Porque medimos la velocidad de los fotones cuando viajan. No contamos el tiempo en que se transforman en energía en el campo de electrones (entre absorción y reemisión). Y aunque la absorción y la reemisión son instantáneas, la interacción EM todavía necesita tiempo. Pero no contamos ese tiempo en el cálculo de la velocidad del fotón.

3. Cuando medimos la velocidad de la onda EM como una manada de fotones, contamos el tiempo en que la manada de fotones se transforma en energía en los campos de electrones.

4. Esa es la diferencia entre la velocidad de la manada (y el frente de onda) y los fotones individuales.

Así que la pregunta que estás haciendo,

"Así que la pregunta es ¿Qué causa realmente que disminuya la velocidad de fase de la luz?

1. "velocidad de deriva" de los fotones (no son los mismos fotones, se vuelven a emitir todo el tiempo)
2. diferencia de fase entre la luz absorbida y emitida
3. algo más"

La respuesta es que son los tres. No son los mismos fotones. Hay una diferencia de fase. Y está el tiempo que necesita la interacción EM.