¿La luz realmente viaja a través del vidrio?

La respuesta corta al núcleo de su pregunta,

¿Las partículas que componen el vidrio absorben las ondas y las reemiten en la dirección de avance? ¿O las ondas de luz logran viajar a través del vidrio, sin ser absorbidas y luego salen del vidrio?

es que ambos procesos están en juego, aunque hay sutilezas importantes involucradas en el término 'absorber'. La luz transmitida es producida por la interferencia del haz original y la radiación producida por las excitaciones que produce dentro del vidrio, y es esta interferencia la que produce la fase adicional codificada en el índice de refracción del vidrio, que luego se filtra hacia la velocidad de fase. y el cambio en la longitud de onda.

Para ver por qué este es el caso, entonces el mejor lugar para comenzar es con la descripción macroscópica-electrodinámica de la losa de vidrio, en la que el concepto esencial es el de la densidad de polarización del vidrio. $\mathbf P$. La electrodinámica es una teoría lineal y ve el problema de la luz que se propaga a través del vidrio como una superposición de dos fuentes diferentes:

• el haz de luz inicial, que está presente en la losa de vidrio, así como más allá de ella, y
• las oscilaciones de carga que excita el haz de luz inicial en el vidrio, que emiten principalmente (porque son esencialmente una matriz en fase ) en la dirección del haz inicial.
• (También hay términos de superficie producidos por esas oscilaciones de carga, que producen reflejos en los límites, pero los ignoraré aquí).

El campo después de la losa de vidrio es producido por la interferencia del haz inicial y la radiación producida por las cargas oscilantes dentro del vidrio.

Sin embargo, aquí está lo importante: el vidrio puede hacer este juego de oscilaciones inducidas y luego emisión sin absorber energía alguna . En el estado estacionario, las oscilaciones de carga dentro del vidrio están desfasadas exactamente 90° con respecto al campo eléctrico que las impulsa, lo que significa que la energía neta que emiten la está aportando, en cantidades iguales, el conductor.

Sin embargo, si quieres ir más allá y hablar de fotones, entonces debes ser un poco más cuidadoso. Si estás pensando en la luz como un objeto cuantificado, entonces es un objeto cuantificado que está acoplado a la materia por la que viaja: en otras palabras, es una excitación conjunta del campo EM y las oscilaciones de carga que produce en el cristal.

Entonces, en esencia, el fotón se convierte brevemente en un polaritón mientras está en el vidrio, aunque el término generalmente se reserva para situaciones con un acoplamiento mucho más fuerte a niveles de energía resonantes donde hay una población sustancial en esos niveles de energía excitados (o, más precisamente, , una amplitud de probabilidad sustancial de excitación de cada emisor individual a esos niveles de energía) que lo que sucede en un dieléctrico dispersivo cotidiano. En el vidrio, la probabilidad de excitación (es decir, la "probabilidad de que el átomo haya absorbido un fotón") es insignificante en lo que respecta a sus contribuciones a la energía interna (por lo que a menudo se denomina "transición virtual").

Dicho esto, por supuesto, aún necesita proporcionar un poco de energía inicial para llevar a esa pequeña población a los estados excitados, y esto normalmente se toma del borde de ataque del pulso mientras se configura la situación monocromática ─ y generalmente regresa al campo cuando el pulso se va, siempre que el medio sea transparente. (Hasta cierto punto, por supuesto, existen algunas restricciones estrictas sobre cuán dispersivo puede ser un medio sin absorber energía. Sin embargo, hay muchos medios transparentes donde la absorción es extremadamente pequeña y esto puede ignorarse).

Cuando una onda de luz incide sobre una lámina de vidrio, ¿las partículas que forman el vidrio absorben las ondas y las vuelven a emitir en la dirección de avance? ¿O las ondas de luz logran viajar a través del vidrio, sin ser absorbidas y luego salen del vidrio?

Esta respuesta es desde el punto de vista de la teoría EM no cuántica (sin fotones).

Si esta pregunta tiene sentido, debemos suponer que los campos EM se pueden distinguir por su fuente. Esto puede parecer imposible de hacer en la práctica, pero en realidad es una suposición matemáticamente posible debido a la linealidad de las ecuaciones de Maxwell.

Entonces, su pregunta puede reformularse de esta manera: ¿el campo primario debido a la fuente de luz se detiene en la superficie del vidrio y desde allí el campo dentro del vidrio es el de las partículas de vidrio?

La respuesta a esa pregunta es definitivamente no . La razón principal es que en la teoría EM con la suposición anterior de identificación del campo con su fuente, el campo primario no puede ser bloqueado por otras partículas que se interpongan en su camino. El campo primario en forma de onda saliente simplemente se mueve como si no hubiera vidrio en absoluto, determinado por las ecuaciones de Maxwell a partir del movimiento de las partículas fuente y la suposición habitual de que los campos se retardan (o alguna otra suposición que singulariza la solución de las ecuaciones de Maxwell consistentes con el movimiento de las partículas fuente).

Otras partículas como las del vidrio pueden interactuar con este campo y así cambiar su movimiento. Pueden emitir su propio campo EM como resultado de esta interacción (campo secundario) y, por lo tanto, influir en el campo EM total en el vidrio, que es la suma del campo primario y secundario.

EDITAR

Si las otras partículas interactúan con el campo primario, ¿no pueden no absorber la energía de él? Y si es así, ¿no pueden absorber toda la onda antes de que "salga" del vaso?

Las partículas pueden absorber energía de la energía del campo EM, pero esto no significa que la onda primaria deba ser alterada (no puede serlo, ya que obedece a las ecuaciones de Maxwell con términos fuente que no contienen las partículas de vidrio). En la teoría macroscópica, la cuestión de la energía se explica de la siguiente manera. La energía EM en cualquier región es una función del campo EM total, no puede considerarse como una suma de contribuciones independientes debidas a campos independientes definidos anteriormente (por conexión con la fuente). Matemáticamente, esto se debe a que la energía EM contiene "términos de interacción", cada uno de los cuales depende de doscampos, en nuestro caso habrá término cruzado para campo primario y secundario. Sabemos que la energía EM cambiará a medida que las partículas de vidrio absorban parte de su energía. Pero a medida que lo hacen, producen su campo secundario que cambia con el tiempo y hace que cambie la energía EM. Así es como cambia la energía EM cerca de las partículas de vidrio, incluso si el campo primario es como si el vidrio no estuviera allí. El cambio en el campo secundario es suficiente.

Además, ¿cómo puede la onda primaria seguir adelante como si no hubiera vidrio en absoluto? ¿Seguramente las partículas en la superficie del vidrio también interactúan y absorben parte de la onda?

Las partículas interactúan en el sentido de que experimentan fuerza. Pero no cambian la onda primaria directamente. Esto se debe a que la onda primaria obedece, por definición, a las ecuaciones de Maxwell donde los términos de la fuente (carga y densidad de corriente) son solo los de la fuente de luz, no hay contribución debido a las partículas de vidrio.

Las partículas de vidrio cambian el campo total a través de su propio campo (campo secundario). Es este campo total el que observamos que decae en amplitud (y lo describimos con la palabra 'absorción'), a medida que la onda se propaga en el medio de vidrio.

Un poco de ambos. No hay forma de que cada fotón pueda ser absorbido por cada molécula de vidrio, por lo que algunos simplemente pasan a través del espacio vacío entre las moléculas. Pero la luz que incide realmente en las moléculas de vidrio absorbe el fotón y lo libera de nuevo en la dirección de avance. Piense en la rigidez de la estructura atómica que le permite liberar la energía exacta que recibe, en lugar de porciones de ella con electrones más cinéticamente energéticos.

Creo que su confusión se debe al hecho de que la primera referencia usa una imagen de la teoría cuántica de campos (QFT) mientras que la segunda usa una imagen de la mecánica cuántica (QM).

En QFT, al electrón se le permite "tomar prestada" energía durante un período de tiempo "corto". Por lo tanto, puede absorber el fotón, incluso si el vidrio no posee un estado electrónico energéticamente adecuado; un estado electrónico adecuado sería un estado que cumple con la conservación de energía. Sin embargo, en mi opinión, no es realmente útil pensar en este proceso QFT como una absorción real del fotón, sino simplemente como una interacción entre el electrón y el fotón. Si lo hace, las dos imágenes se vuelven coherentes: ambas explican por qué obtenemos un índice de refracción$n$.