Propagación de la luz en medios transparentes: ¿absorción y reemisión o dispersión?

No hay una respuesta correcta e inequívoca a esta pregunta porque no está bien planteada en términos de positivismo lógico: ¿cuál es la diferencia entre los dos procesos? No hay forma de saber qué sucede si no arruina el estado intermedio con una medición.

Si te refieres a esto en términos de alguna teoría cuántica de campos con campos e interacciones dados y estados asintóticos, entonces puedes preguntar cómo aparecen los procesos en una descripción de Feynman. El proceso de dispersión en QED es siempre de dos pasos, la absorción y la emisión son puntos de espacio-tiempo separados. Pero la emisión puede preceder a la absorción tanto en el tiempo coordinado como en el tiempo propio a lo largo de la línea de universo del electrón, por lo que debe incluir "emitido y luego absorbido" en la lista de posibilidades.

La luz no tiene que ser resonante para dispersarse en un átomo. La cantidad de dispersión/emisión-reabsorción es menor lejos de la resonancia. Una onda de luz también es un campo coherente largo, y este campo puede adquirir un impulso de fase a partir de la emisión-reabsorción, lo que hace que la velocidad de fase sea mayor que la velocidad de la luz.

La cuestión de "cómo es que las fases se suman de manera coherente" se aborda mediante dos cosas: hay una gran diferencia de escala entre los átomos y la longitud de onda de la luz. Cada átomo dispersa la luz de forma independiente y aleatoria en ondas esféricas, que se suman coherentemente en la dirección original solo para alterar la velocidad de fase en una cantidad constante.

No hay dispersión de la mayor parte de un cristal perfecto, para longitudes de onda largas, porque todavía hay una invariancia de traslación discreta, lo que significa que el momento se conserva hasta grandes saltos, y los grandes saltos dan ondas con la frecuencia incorrecta para longitudes de onda lo suficientemente largas. Pero hay adiciones discretas de momento que se permiten para rayos X de longitud de onda corta en un cristal atómico, y si el momento del fotón sale diferente pero con la misma frecuencia debido a la coherencia en una dirección diferente, eso se llama difracción.

Si desea dispersión en un cristal, debe dispersar los defectos que tienen una buena cantidad de variación aleatoria en una caja del tamaño de una longitud de onda. De manera similar, si dispersa un fluido, necesita que las fluctuaciones en la densidad sean significativas en una longitud de onda. Esto es más fácil para la luz azul que para la luz roja, por lo que los fluidos transparentes se dispersan en azul.

Un rayo láser que pasa a través de un vidrio transparente no pierde energía (o momento), por lo que no hay razón para que se vuelva incoherente. Pero esto no está directamente relacionado con la cuestión de si hay dispersión o absorción y emisión retardada.

Hay una dificultad en relacionar lo que sucede fotón por fotón con lo que sucede en el límite clásico. Usted sabe que la luz que viaja a través del vidrio se ralentiza, y parece que esto se debe a un retraso entre la absorción y la emisión, y supongo que esto parece implicar que debe haber un retraso entre la absorción y la emisión en el análisis cuántico de la situación.

La "mecánica cuántica" se limita a situaciones en las que las partículas no se crean ni se destruyen; esto no puede incluir absorción y emisión. Y no es terriblemente fácil con gran cantidad de partículas en el mismo estado (como sucede en un láser). La "Teoría Cuántica del Campo" más general permite la creación y aniquilación de partículas (fotones), por lo que esto es lo apropiado.

La teoría del campo cuántico que se aplica a los fotones que interactúan con los electrones (átomos) es la electrodinámica cuántica (QED). En esta teoría, la velocidad de los fotones es aleatoria; no tienen que viajar a velocidad c. Entonces, es posible que un problema de QED tenga un fotón retrasado sin demora entre la absorción y la emisión (pero la velocidad promedio seguirá siendo c, que yo sepa).

Una red cristalina (u otro sólido) contiene una gran cantidad de átomos. Lo que determina si un fotón puede ser absorbido o no es si la red cristalina tiene una vibración disponible correspondiente a la energía, el momento y el momento angular del fotón entrante. Si lo hace, entonces el sólido absorberá ese fotón y no será transparente en esa frecuencia.

Si un fotón tiene una energía que no es compatible con la red cristalina, debe ajustar su energía tomando energía prestada. Esto solo puede pasar por un tiempo$\Delta E\;\Delta t \approx \hbar$. Uno supone que las energías donde$\Delta E$es pequeño debe tener una velocidad de la luz más lenta (mayor índice de refracción).