Reconciliación de la refracción con la teoría de partículas y la teoría de ondas

He buscado en la web buenas respuestas sobre por qué ocurre la refracción cuando la luz se mueve de un medio a otro con diferente densidad. Tengo experiencia limitada en física y quiero saber si hay una manera fácil de entender esto sin tener que volver a la escuela durante años.

La mayoría de las explicaciones vienen en alguna variante de la analogía de la "línea de soldados en marcha", donde una línea recta de soldados cambia de ritmo cuando llegan a un límite. No tengo problemas para entender la analogía, mi problema es entender cómo esto es relevante para la luz.

  • La analogía no funciona para la luz como partícula. La partícula no "sabe" de las partículas que la rodean y debe seguir una línea recta.

  • ¿Cómo sabe un solo rayo de luz (onda), como parte de un "frente de onda", lo que están haciendo otros rayos?

Para entender realmente por qué sucede esto, necesitas la teoría cuántica. Vea si esta vieja respuesta mía ayuda: physics.stackexchange.com/questions/2041/…
Sí, es curioso cómo algunas preguntas que parecen simples resultan ser muy, muy difíciles. Se podría argumentar que las preguntas sobre cómo funciona exactamente la luz cuando interactúa con la forma han sido una de las principales fuerzas impulsoras de la física en los últimos 100 años. Ciertamente es cierto que las respuestas insatisfactorias de la física clásica sobre la luz son la razón por la que se desarrolló la teoría cuántica.
Tenga en cuenta que un rayo y una onda no son lo mismo. La óptica de rayos es una aproximación de la óptica de ondas.
En retrospectiva, no habría hecho la pregunta 2. El concepto de "rayo" o incluso ondas no es importante para la pregunta.
No es exactamente lo que está preguntando, pero quizás sea de interés: es fácil derivar la ley de Snell (refracción de la óptica de rayos) del principio de Fermat.

Respuestas (3)

Gracias a Marek, por señalar las conferencias impartidas por Richard Feynman en estos dos videos.

http://vega.org.uk/video/programme/45

y

http://vega.org.uk/video/programme/46

Aproximadamente a la mitad del segundo video, explica el concepto de refracción de fotones. Las conferencias se pueden entender sin un conocimiento profundo de la física. Debe reservar unos 120 minutos.

Su respuesta sería más útil si proporciona un resumen, en lugar de requerir dos horas del tiempo del lector.

Esta es una pregunta interesante porque implica principalmente la comprensión del interrogador. Una pregunta similar hecha por alguien que usó una terminología diferente merecería una respuesta diferente. El que estoy proporcionando es, espero, compatible con la comprensión del interrogador. No es una explicación completa de la situación como sería adecuada para un estudiante de posgrado en física. Con esa salvedad...

La partícula no "sabe" de las partículas que la rodean y debe seguir una línea recta. En la física contemporánea, la luz se considera tanto una partícula (el fotón) como una onda (no en el sentido de las ondas de electricidad y magnetismo, sino en el sentido de onda cuántica). Una onda cuántica conoce más que solo el camino clásico.

¿Cómo sabe un solo rayo de luz (onda), como parte de un "frente de onda", lo que están haciendo otros rayos?

Por la forma en que está escrita esta pregunta, asumo que el escritor ve la luz como una especie de partícula puntual clásica (cuyas trayectorias seguirían "rayos"), pero con la característica adicional de ser una onda (y por lo tanto tener una existencia a lo largo de el rayo, como es necesario para que una onda tenga una energía o momento definido). La pregunta es sofisticada porque el escritor entiende que la luz tiene propiedades ondulatorias y trataré de llevar esa comprensión un poco más allá.

La luz (incluso la luz que es "clásica", es decir, que sigue las leyes de la electricidad y el magnetismo de Maxwell) no sigue a los rayos. Un rayo es una idealización que se aplica solo cuando el ancho del rayo es grande en comparación con la longitud de onda de la luz.

Podríamos intentar crear un rayo de luz más angosto que una longitud de onda de la luz haciendo brillar la luz sobre una lámina de cobre (u otro material opaco delgado) con un solo orificio perforado. Si hacemos que el agujero sea más pequeño que la longitud de onda de la luz, es lógico pensar que el rayo que sale de él tendrá un diámetro más pequeño que la longitud de onda de la luz. Pero, de hecho, esto no es lo que sucede. En cambio, la luz se dispersa por el agujero y diverge en todas las direcciones.

El efecto es similar a lo que sucedería si tuvieras una obstrucción a las olas del océano pero con un solo agujero. Suponiendo que el agujero sea pequeño en comparación con la longitud de onda de las olas del océano, las olas que lo atraviesen no aparecerán como un rayo de olas, sino que se alejarán del agujero en todas las direcciones.

En lugar de "refracción", esta característica de la luz se llama "difracción". El artículo de wikipedia sobre difracción ( http://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction ) tiene una foto útil de las ondas de agua difractándose. La luz funciona de la misma manera. Agregué líneas rojas para mostrar la barrera y flechas verdes para mostrar la dirección en la que se mueven las olas. La ola comienza en la parte inferior izquierda y se mueve hacia la parte superior derecha:

Demostración de difracción

Entonces, ¿puedo concluir que la refracción no se puede entender sin una comprensión de la teoría cuántica? Y creo que las escuelas y los libros deberían dejar de usar las bandas de música y las metáforas de "coche golpeando la arena" :-)
@Glenn: la refracción es un fenómeno de onda sin asociación a priori con la mecánica cuántica. La refracción se puede observar con ondas de agua en una bañera con una configuración adecuada.

Es importante notar que una línea de soldados que marcha hacia adelante cambia de dirección hacia adentro cuando acelera y cambia de dirección hacia afuera cuando disminuye la velocidad, exactamente lo contrario de lo que hace la luz. La antigua teoría corpuscular de la luz de Newton predijo que la luz viaja más rápido en el vidrio, por lo que supongo que el índice de refracción se define como el recíproco de lo que cabría esperar.

La teoría ingenua de las partículas es incorrecta, y la teoría de las ondas explica la refracción de forma muy sencilla, haciendo coincidir los picos de las ondas que se mueven a diferentes velocidades a ambos lados de la barrera.

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