¿Por qué la luz viaja más despacio en el agua en relación con el vacío?

Tu dices:

Y, de hecho, el agua es transparente, por lo que en realidad no hay interacción entre los fotones y las moléculas de agua.

Pero esto no es cierto. El agua es transparente porque no se disipa energía en la interacción entre la luz y el agua. Los objetos que absorben la luz toman la energía de la luz y la convierten en otras formas, como energía de vibración molecular (es decir, calor).

A riesgo de simplificar demasiado, en un medio transparente la luz interactúa con los electrones en el medio porque los hace oscilar a la misma frecuencia que la luz. Sin embargo, los electrones oscilantes devuelven la energía a la luz pero con un pequeño cambio de fase. Es este cambio de fase lo que cambia la velocidad de la luz. Pero como la energía neta de la luz no cambia, el medio permanece transparente.

En primer lugar, distingamos que su pregunta es sobre mecánica cuántica. Clásicamente,$\epsilon$y$\mu$son funciones del material y las ecuaciones de Maxwell producen una ecuación de onda con velocidad$\frac{1}{\sqrt{\epsilon \mu}}$.

En QED, la forma más fácil de hacerse una idea de lo que está pasando es usar la imagen de la mecánica cuántica de Feynman. Feynman dice que para comprender el movimiento del fotón, debe considerar todas las trayectorias posibles de la partícula, incluidas aquellas que terminan con su absorción.

La interferencia entre los resultados en los que el fotón es absorbido por el medio (o tiene alguna otra interacción) es lo que ralentiza su trayectoria. No soy un teórico de campo lo suficientemente competente para mostrar esto explícitamente. Tal vez tengamos suerte y alguien más lo haga.

Si un electrón interactúa con algo, lo hace debido a la fuerza electromagnética. Un fotón tiene el potencial de interactuar con un electrón debido a esa fuerza. El electrón mantiene esa fuerza sin importar en qué se encuentre. Es decir, un electrón en el agua ejerce la misma fuerza sobre un fotón que cualquier otro electrón.