¿Cómo viaja un fotón a través del vidrio?

Esto se discutió en una respuesta a una pregunta relacionada, pero creo que merece una respuesta separada y, con suerte, más clara.

Considere un solo fotón ( λ =532 nm) viajando a través de una placa de vidrio perfecto con un índice de refracción norte = 1.5 . Sabemos que no cambia de dirección ni otras características de ninguna manera en particular y propagarse 1 cm a través de dicho vidrio equivale a 1,5 cm de vacío. Aparentemente, el fotón interactúa con el vidrio, pero ¿cuál es la naturaleza física de esta interacción?

No consideremos los efectos de alto orden como la dispersión de Rayleigh/Raman.

Me di cuenta de que lo que dije en mi último comentario no era realmente correcto. Así que es bueno que hayas mencionado esto. Espero las respuestas.
No estoy seguro de que la suposición de que un fotón viaja en línea recta a menor velocidad sea correcta. No sé suficiente mecánica cuántica para dar esa respuesta. Sin embargo, podría proporcionar una respuesta completamente clásica. Eso discutiría el vidrio como dieléctrico. Sin embargo, esto no hablaría de un solo fotón. Hablaría de una onda plana electromagnética (que sí se mueve en línea recta a menor velocidad). Mi entendimiento es que cualquier fotón único sería absorbido y reemitido, viajando efectivamente a la máxima velocidad de la luz en un camino no recto.
@Mark: la respuesta que dio mi profesor fue similar cuando le hice esta pregunta hace algunos meses. Dijo que era bastante fácil de explicar a través de la mecánica ondulatoria, pero explicarlo a través de interacciones de fotones era un poco complicado. Afirmó principalmente que los fotones se absorben, luego se emiten exactamente en la misma longitud de onda y, posiblemente debido principalmente a la conservación del impulso, la mayoría de los fotones continúan su camino inicial.
Leí que hay un ligero retraso de átomo a átomo. Este retraso debe presentarse como una ralentización de la velocidad de la luz en el interior del medio: Pero, ¿cómo se mantiene constante la velocidad de la luz en el interior de un medio?

Respuestas (1)

Esta es una pregunta difícil de responder, porque en muchos sentidos no tiene sentido hablar de un camino definido seguido por un solo fotón. La mecánica cuántica es inherentemente probabilística, por lo que todo lo que realmente podemos hablar son las probabilidades de varios resultados en muchos experimentos repetidos con estados iniciales preparados de manera idéntica. Todo lo que podemos medir es algo así como el tiempo de viaje promedio para una gran cantidad de fotones individuales que pasan a través de un bloque de vidrio uno tras otro.

La transmisión de luz a través de un medio es más fácil de explicar en un sentido clásico, donde piensas en el haz de luz como una onda que genera oscilaciones en los dipolos atómicos que forman el material. Luego, cada átomo vuelve a irradiar sus propias ondas a la misma frecuencia, pero ligeramente desfasadas. La suma de la onda inicial y la onda reirradiada es una onda que se retrasa un poco con respecto a la onda entrante, lo que explica la velocidad reducida. Un haz de luz que ingresa a un bloque de material tiende a continuar en la misma dirección porque la luz dispersada hacia adelante de cualquier átomo individual tiende a interferir constructivamente con la luz dispersada hacia adelante de otros átomos en el material, mientras que la luz dispersada hacia los lados interfiere principalmente destructivamente. y cancela.

Llevando esta imagen al régimen cuántico, diría que un solo fotón que ingresa al material será potencialmente absorbido y reemitido por cada uno de los átomos que forman la primera capa del material. Sin embargo, dado que no podemos medir directamente qué átomo absorbió, tratamos la situación matemáticamente como una superposición de todos los resultados posibles, es decir, cada uno de los átomos absorbiendo y luego reemitiendo el fotón. Luego, cuando llegamos a la siguiente capa del material, primero debemos sumar todas las funciones de onda correspondientes a todas las posibles absorciones y reemisiones, y cuando hacemos eso, encontramos que, al igual que en el caso de onda clásico, el resultado más probable es que el fotón continúe en la misma dirección en la que se dirigía originalmente. Luego repetimos el proceso para todos los átomos en la segunda capa, y la tercera,

En cualquier capa dada, la probabilidad de ser absorbido y luego reemitido por cualquier átomo individual es bastante pequeña, pero hay una gran cantidad de átomos en un sólido típico, por lo que es probable que el fotón sea absorbido y reemitido durante el proceso. El paso por el cristal son muy buenos. Por lo tanto, en promedio, el fotón se retrasará con respecto a uno que pase a través de una longitud igual de vacío, lo que dará lugar a la menor velocidad de transmisión observada.

Por supuesto, no es posible observar el camino exacto tomado por cualquier fotón, es decir, de qué átomos específicos se dispersó, y si intentáramos hacer tal medida, cambiaría el camino del fotón en tal grado. como para ser completamente inútil. Por lo tanto, cuando hablamos de la transmisión de un solo fotón a través de un material refractivo, asignamos al fotón una velocidad que es la velocidad promedio determinada a partir de muchas realizaciones del experimento de un solo fotón, y partimos de allí.

Su explicación está bien, pero creo que se debe enfatizar aún más que la desaceleración es un efecto colectivo, cualquiera que sea el punto de vista, clásico o cuántico. Significa, en particular, que la descripción cuántica simplista (cuando un fotón es absorbido y luego reemitido por cualquier átomo dado) es engañosa. El fotón dispersa todos los átomos simultáneamente, con los cambios de fase apropiados, y es la interferencia de todos esos procesos junto con la onda original lo que parece ralentizarse. Lo dijiste, pero siento que esta idea clave se pierde en medio de tu texto.
Sí, vale la pena enfatizar eso. El efecto de ralentización se debe realmente a la parte ondulatoria distribuida del comportamiento del fotón (o al hecho de que el fotón es una excitación de un modo extendido del campo EM, si quiere decirlo en ese lenguaje), y el efecto colectivo de todos los posibles caminos de dispersión.
En el caso clásico, el momento del fotón observado en la materia es norte veces mayor que en el vacío. ¿Tiene sentido en la teoría cuántica?
La cuestión de cuál es el momento del fotón dentro de un material con un índice de refracción n es complicada y sutil. Puedes construir argumentos sensatos de que debería ser n veces mayor que en el vacío, y también que debería ser n veces menor. También ha habido experimentos consistentes con cada uno. Hace unos años, hubo un documento que pretendía resolver esto mostrando que cada uno es válido en un régimen particular, pero no puedo encontrarlo ahora.
Hubo un artículo hace apenas unos meses: Stephen M. Barnett, Resolution of the Abraham-Minkowski Dilemma, Phys. Rev. Lett. 104, 070401 (2010).
Me pregunto, si consideramos un fotón como una cuasi-partícula que es una excitación elemental de un medio, ¿no es esta pregunta más sencilla de responder? Quiero decir, entonces es natural hablar de modos colectivos. Por cierto, en el vacío sigue siendo una cuasi-partícula.
Mi sensación es que usar el lenguaje de absorción y retransmisión en átomos individuales es engañoso porque se refiere al modelo de potencial QM. Si el fotón fuera absorbido, necesitaría la línea adecuada y luego podría volver a emitirse en una longitud de onda diferente o en cascada. En mi opinión, el cuántico de fotones interactúa mecánicamente con todo el "cristal", de una manera compleja y variable que no se puede resolver analíticamente excepto por aproximaciones. La interacción toma un delta (t) que crea la desaceleración.
Si el vidrio tiene algún grosor, un fotón será absorbido después de cierta dispersión, con una alta probabilidad. Algunos volverán a emitir. Hazlo más delgado. A menos que esté bastante cerca de 0 Kelvin, probablemente tendrá alguna emisión térmica de todos modos, baje la temperatura a una fracción de un grado Kelvin y, en un corto período de tiempo, una emisión aleatoria podría ser improbable. Coloque detectores de fotones afuera y pídales que tomen el tiempo. Obtendrá un pdf de veces, por lo tanto, velocidades. ¿Ese pdf alcanzará su punto máximo a alguna velocidad promedio debido a n, o tendrá mucha variación, es decir, un fotón interactúa con algunos o todos los átomos?
La descripción de la desaceleración en el nivel de onda QM EM es correcta. Aunque a nivel de fotones individuales, la absorción y la reemisión son instantáneas. Entonces, ¿qué puede causar el retraso? Si realiza suficientes experimentos con absorción/reemisión, verá que la absorción/reemisión necesita un estado excitado del electrón/átomo, y que la vida útil PROMEDIO del estado excitado es de 10^-8 segundos (eso es para el átomo de H , variará dependiendo del tipo de átomo del medio).
Ahora, si considera que un medio (vidrio) tiene un grosor de miles de millones de átomos, los fotones individuales deberán haber sido absorbidos/reemitidos en esa magnitud, miles de millones de veces, y en ese caso, la vida útil PROMEDIO del estado excitado es 10 ^ -8 segundos se sumarán a una cantidad de tiempo que ralentizará considerablemente la onda EM en su conjunto, una manada de fotones. Cuanto más denso es el medio, mayor es la desaceleración, y eso es lo que no discute la explicación colectiva de la onda QM EM. Pero a nivel individual, esto se explica por la magnitud del número de absorción/reemisión.
Y la magnitud de la cantidad de tiempo de vida PROMEDIO del estado excitado es de 10^-8 segundos se sumará, y explicará exactamente eso, que cuanto más denso es el medio, mayor es el índice de refracción y mayor el número de absorción/refracción. emisiones y más desaceleración en la manada.
Entonces, hay un pequeño retraso de átomo a átomo. Por lo tanto, este ligero retraso debe aparecer como una desaceleración de la velocidad de la luz DENTRO del medio: pero, la velocidad de la luz permanece constante dentro de un medio.
¿Cómo viaja un fotón a través del vidrio?
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