¿Cómo se acelera la luz después de salir de una losa de vidrio?

Cuando la luz se propaga en vidrio u otro medio, en realidad no es luz verdadera, pura. Es lo que (lo aprenderás más adelante) llamamos una superposición cuántica de estados de materia excitados y fotones puros, y estos últimos siempre se mueven a la velocidad de la luz.$c$.

Puede pensar, para una imagen mental aproximada, de la luz que se propaga a través de un medio como algo así como un juego de susurros chinos. Un fotón es absorbido por una de las moléculas dieléctricas, por lo que, por un momento fantásticamente fugaz, desaparece. La molécula absorbente permanece durante del orden de$10^{-15}{\rm s}$en su estado excitado, luego emite un nuevo fotón. El nuevo fotón viaja una corta distancia antes de ser absorbido y reemitido nuevamente, y así se repite el ciclo. Cada ciclo es sin pérdidas : el fotón emitido tiene exactamente la misma energía, impulso y fase que el absorbido. A menos que el material sea birrefringente , el momento angular también se conserva perfectamente. Para medios birrefringentes, la corriente de fotones ejerce un pequeño par de torsión sobre el medio.

Los fotones libres siempre viajan a$c$, nunca a otra velocidad. Es el hecho de que la energía tarda poco tiempo en absorberse en cada ciclo y, por lo tanto, sigue siendo efectiva, lo que hace que el proceso tenga una velocidad neta menor que$c$.

Entonces, el fotón, al dejar el medio, no es tanto acelerado sino reemplazado.

Pero, ¿cómo el rayo de luz mantiene su dirección? Después de que es absorbido por el primer átomo, ¿cómo sabe más tarde dónde disparar nuevos fotones nuevamente? ¿Dónde se conserva esta información?

Una muy buena pregunta. Esto sucede por conservación de la cantidad de movimiento. La interacción es tan corta que el absorbente no interactúa con nada más, por lo que el fotón emitido debe tener el mismo momento que el incidente. También tenga en cuenta que NO somos una absorción total en el sentido de forzar una transición entre los estados unidos del átomo (lo que da las marcadas muescas espectrales típicas del fenómeno), que es de lo que habla David Richerby. Es una transición entre lo virtualestados, el tipo de cosa que permite la absorción de dos fotones, por ejemplo, y estos pueden estar esencialmente en cualquier lugar, no en los niveles estrictos de estado ligado. Como dije, esta es una analogía aproximada: se originó con Richard Feynman y es lo mejor que puedo hacer para un estudiante de secundaria que probablemente nunca antes se haya ocupado de la superposición cuántica. La absorción y la propagación libre ocurren en superposición cuántica , no estrictamente en secuencia, por lo que la información no se pierde y cuando escribes la superposición de estados de fotones libres y estados de materia excitada, obtienes algo equivalente a las ecuaciones de Maxwell (en el sentido que describo en mi respuesta aquí o aquí ) y las velocidades de fase y grupo naturalmente se eliminan de estos.

Otra forma de decir cualitativamente mi última oración es que el absorbente puede emitir en cualquier dirección, pero debido a que todo está en superposición, la amplitud para que esto suceda en superposición con fotones libres es muy pequeña a menos que la dirección de emisión coincida estrechamente con la libre. dirección del fotón, porque las fases de amplitudes de los dos procesos solo interfieren constructivamente cuando están cerca de estar en fase, es decir , la emisión está en la misma dirección que la luz entrante.

Todo esto debe contrastarse con la fluorescencia , donde la absorción dura mucho más y tanto el impulso como la energía se transfieren al medio, por lo que hay una distribución de direcciones de propagación y la longitud de onda se desplaza.

Otro comentario:

Había un libro que decía que la masa de los fotones aumenta cuando entra en el vidrio... Creo que ese libro era muy engañoso.

Si tiene cuidado, el comentario del libro puede tener alguna validez. Estamos hablando de una superposición de estados de fotón y materia excitada cuando la luz se propaga en la losa, y esta superposición de hecho puede interpretarse como que tiene una masa en reposo distinta de cero, porque se propaga a menos de$c$. Los propios fotones libres siempre se propagan a$c$y siempre tienen masa en reposo cero. De hecho, toca algo bastante controvertido: estas ideas conducen a la controversia no resuelta de Abraham-Minkowsky .

Una explicación clásica para complementar la excelente mecánica cuántica de Rod:

Si hace una construcción de propagación de onda de Huygens (supongo que sabe cómo hacerlo), entonces cada punto en el frente de onda se trata como la fuente de una nueva onda de la misma frecuencia y fase. Cómo se propaga esa onda depende del medio que encuentre. Entonces, las ondículas de Huygens generadas en la cara de salida del vidrio, que "ven" solo el espacio vacío frente a ellas, simplemente se propagan con la velocidad apropiada para ellas, al igual que las ondículas en la cara de entrada ven un medio de mayor refracción. índice y, por lo tanto, una propagación más lenta (y una refracción para la incidencia no normal), por lo que los que están en la cara de salida ven lo contrario.

En cuanto a la "pérdida de calor", si hay mecanismos de pérdida dentro del vidrio, los fotones se absorberán pero siempre hay una probabilidad (muy pequeña) de que un fotón lo atraviese, en la práctica, esa probabilidad puede volverse tan pequeña que puede asumir que no se detectará la luz, pero eso no es lo mismo que decir "ninguna luz puede atravesar esta losa". Probabilidad frente a certeza.

Sus dos preguntas se basan en la noción errónea de que la luz pierde energía al atravesar una losa de vidrio. La velocidad de propagación de la luz depende de la densidad del medio. Cuando un haz de luz pasa del vacío (aire) al vidrio, lo único que sucede es que la onda se retrasa (tarda más en recorrer la misma distancia, debido a la mayor densidad). Dado que v = d/t, si t se hace más grande, v se vuelve más pequeño (para el mismo d). Lo que esto significa es que la velocidad de propagación de la luz en el vidrio se ralentiza. Una vez que pasa el vidrio, el retraso desaparece , por lo que la luz reanuda su velocidad de propagación anterior en el aire.
Aunque hay una pequeña pérdida debido a que algunos fotones golpean los "núcleos" de las moléculas de vidrio, la mayor pérdida se debe a que la luz se "esparce" (luz no coherente). Con la luz adecuada (coherente), uno puede usar "millas" de fibras de vidrio y aun así la luz sale por el otro extremo.