Что на самом деле заставляет свет/фотоны появляться в среде медленнее?

Похоже, вы уже знакомы с классическим объяснением, но все еще интересуетесь его квантовой версией.

2. разность фаз между поглощенным и излучаемым светом

Да, это вклад самого низкого порядка в фазовый сдвиг при фотон-электронном рассеянии. Вот небрежный способ визуализировать это непрерывно (это в основном точка зрения «классического рассеяния электромагнитных волн»): вы можете представить, что «кинетическая энергия» (-> частота) «фотона» увеличивается по мере того, как он приближается к атому. потенциальной ямы, а затем, покидая атом, возвращается к своей нормальной частоте. Это приводит к чистому увеличению фазы ($(n-1)\omega/c$).

1. "скорость дрейфа" фотонов (это не те фотоны, они постоянно переизлучаются)

Под «скоростью дрейфа» вы подразумеваете зигзагообразное движение фотона, похожее на пинбол? Это не внесет большого вклада, потому что требует большего рассеяния (в основном это процесс более высокого порядка).

А еще я до сих пор не очень понимаю детали процесса поглощения-излучения.

Да, поглощение все равно будет происходить во всем диапазоне частот. Гамильтониан атома будет модифицирован полем (на$- p \cdot E$где р — дипольный момент атома, а Е — составляющая электрического поля света). Это даст нам необходимый уровень энергии для мгновенного поглощения фотона, который будет повторно испущен за счет стимулированного + спонтанного излучения.

редактировать: разъяснение, термин «энергетический уровень» вводит в заблуждение, поскольку временно «возбужденный» атом не находится в фактическом собственном энергетическом состоянии.

См. схему здесь: http://en.wikipedia.org/wiki/Raman_scattering

В дополнение ко всему сказанному, я хотел бы прокомментировать следующее:

Мы знаем, что реальная скорость света на самом деле не меняется, уменьшение скорости только кажущееся. Материал в основном пустой, свет по-прежнему будет путешествовать с интервалом c.

1) Скорость света меняется . Это скорость света в вакууме , которой нет.

2) Очень короткий ответ на ваш вопрос: Свет, так сказать, «больше», чем межатомное пространство. Поэтому я бы не стал говорить о его перемещении в пространстве.

Эта ситуация аналогична бегу человека через кусты, а не по лесу. Поскольку вы крупнее отдельных ветвей куста, вы взаимодействуете с кустом иначе, чем с деревьями в лесу.

Может быть, иллюстрация с оптическим волокном субволнового диаметра могла бы помочь увидеть проблему с другой стороны. Это волокно тоньше длины волны света. Например, полмикрона в диаметре для света в 1 мкм. При распространении света по такому волокну (что может быть сделано практически при 100 % пропускании) световое поле не «вписывается» в волокно, и около половины энергии фактически распространяется за пределы волокна. Однако это не тот случай, когда внешняя часть света движется быстрее, чем та, что находится внутри волокна. Волна остается одиночной, двигаясь со скоростью

куда$n_\text{eff}$- эффективный показатель преломления, который находится где-то между 1 (кажущийся показатель преломления для внешней части волны) и$n_\text{glass}$(для внутреннего).

Итак, свет «больше», чем расстояние между атомами, и поэтому он будет постоянно «видеть» атомы.

Я не думаю, что вообще полезно пытаться анализировать эти вещи с точки зрения фотонов, поэтому я попытаюсь указать на несколько вещей, касающихся классической картины.

Большая трудность с математической точки зрения заключается в том, что вы работаете в сплошной среде, где фаза волны постоянно меняется. Начать визуализацию намного проще, если мы ограничимся тонкой пластиной, где «тонкий» означает малый по отношению к длине волны.

Мы знаем, что существует диэлектрическая проницаемость, которая представляет тенденцию зарядов перемещаться в ответ на внешнее поле. Но как быстро на обвинения реагировать? Является ли это квазистатическим случаем, когда максимальная напряженность поля совпадает с максимальным смещением заряда? Я думаю, мы обнаружим, что это так, например, когда свет проходит через стекло.

Обратите внимание, что в этом случае ток смещения опережает падающее поле на 90 градусов. Это имеет смысл: по мере приближения частоты света к резонансной частоте материала фаза все больше и больше отстает; когда разность фаз стремится к нулю, возникает резонансное поглощение. (РЕДАКТИРОВАТЬ: Чтобы быть более ясным, я решил определить разность фаз с точки зрения ее отношения в дальней зоне к падающему полю!) В случае тонкой пластины вы можете видеть, что переданная волна является суммой падающей волны. волна и волна, генерируемая током смещения. Поскольку вы поглощаете, фаза в дальнем поле должна быть противоположной, чтобы энергия отводилась от падающей волны.

Поучительно провести энергетический баланс. Допустим, ток смещения генерирует волну, равную 2% падающей волны. Тогда амплитуда отраженной волны 2%, а прошедшей волны 98%. Легко подсчитать (возводя амплитуды в квадрат), что почти 4% энергии не хватает. Куда это идет? Он непрерывно наращивает амплитуду тока смещения до тех пор, пока резистивные потери в материале не сравняются с мощностью, извлекаемой из падающей волны.

Вернемся теперь к случаю прозрачной среды. Примите такое же значение для тока смещения, а именно 2%. Отраженная волна та же самая, но переданная волна отличается, потому что теперь вы добавляете векторы, расположенные под углом 90 градусов друг к другу, поэтому амплитуда переданной волны в первом порядке неизменна.

Это фаза, которая сбивает с толку. Поскольку мы находимся в квазистатическом режиме, фаза является ведущей. В любом случае он должен быть ведущим по сравнению с поглощающим случаем. Разве нам не нужна отстающая фаза, чтобы замедлить волну? Здесь нужно быть очень осторожным. Поскольку мы добавляем ведущую фазу, пики волны возникают раньше, чем в противном случае... другими словами, они расположены близко друг к другу. Это действительно условие для того, чтобы волна двигалась медленнее. Все это очень запутанно, поэтому я взял случай тонкой плиты, чтобы математика была проще. Пусть падающая волна

грех (кх-вес)

Тогда волна, создаваемая плитой, будет

0,02*cos(kx-вес)

Обратите внимание, что косинус опережает синусоиду на 90 градусов. Если вы нарисуете эти две волны на графике и сложите их вместе, вы увидите, что пики синусоиды немного смещены влево. Это делает волну слегка задержанной.

Непрерывный случай сложнее математически, но вы можете видеть, что он должен следовать, рассматривая его как серию плит.

Электромагнитное поле, проходя через среду, вызывает поляризацию$\mathbf{P}$и намагничивание$\mathbf{M}$этой среды. Вспомогательные поля$\mathbf{D}$а также$\mathbf{H}$появляющиеся в макроскопических уравнениях Максвелла , затем определяются в терминах истинных физических величин как

Примечание: обратите внимание, что вышеизложенное в равной степени относится к классическому и квантовому описанию электрического и магнитного отклика, если мы определяем скорость фотонов через их волновое уравнение. [1]: https ://физика.stackexchange.com/a/661720/247642

Я попытаюсь дать наиболее полное физическое объяснение того, почему свет замедляется внутри прозрачной среды, такой как стекло, и почему это замедление скорости только кажущееся, а скорость фотонов внутри среды остается неизменной на уровне с, скорости света в вакуум, путешествуя по вакуумному пространству между атомами стекла.

В течение многих лет физики бьются над физическим объяснением того, почему свет замедляется при переходе из воздуха, показатель преломления n1~1, в более плотную прозрачную среду, такую ​​как стекло, n2~1,5, но при этом скорость фотонов, распространяющихся через среду (стекло), по-прежнему равна фиксированная скорость c?

Существует множество различных объяснений, как классических, так и квантовых [1] [2] , некоторые из них верны, а другие нет, но я считаю, что все они не могут полностью физически и интуитивно объяснить явление.

Фейнман характеризует это падение скорости света как очевидное [3] :

«Наша проблема состоит в том, чтобы понять, как возникает кажущаяся более низкая скорость».

Я попытаюсь здесь дать другое физическое объяснение, которое, однако, согласуется с тем, что мы знаем о свете и материи. Однако прежде чем мы это сделаем, мы должны провести различие между понятиями фазовой скорости и групповой скорости света в прозрачной среде, такой как воздух, вода или стекло.

Рис. 1. Групповая скорость в зависимости от фазовой скорости для лазерного импульса

Проще говоря, как показано на рис. 1, фазовая скорость получается из времени, которое требуется фронту лазерного импульса (т. е. длина импульса может составлять несколько миллиметров) , чтобы достичь цели назначения, тогда как групповая скорость является фактической скоростью на в котором каждая точка лазерного импульса движется в пространстве со всеми точками, имеющими одинаковую скорость, а именно групповую скорость. Когда мы говорим о скорости фотонов c=3x10E8 м/с в лазерном импульсе, мы имеем в виду только групповую скорость, при этом каждая точка лазерного импульса является фотоном. Когда мы обращаемся ко всему лазерному импульсу, мы можем выбрать либо его групповую скорость, либо его фазовую скорость. Помните об этих описаниях и определениях, так как они станут важными для объяснения явления позже.

Также важно понимать, что на уровне квантового масштаба нет ничего жесткого или твердого, а есть сложное море взаимодействующих полей (КТП) электромагнитного потока и волн электромагнитного потока как искажения поля, подобные искажениям внутри воды, как грубая аналогия.

Другой момент заключается в том, что хотя голый фотон рассматривается в литературе как безразмерная точка, его реальная физическая форма, когда внутри конденсированной среды среда одета полем электромагнитного потока энергии, сильно напоминает не точку, а маленькую сферу. Размер сферического поля одетого фотона зависит от его длины волны. Длины большей длины превращаются в одетые фотонные сферы большего размера, а короткие длины волн — в одетые фотонные сферы меньшего размера. На рис.2 мы демонстрируем и физически объясняем все явление с помощью зеленого лазерного импульса. Длина волны фотонов в зеленом лазере составляет λ=630нм в воздухе, представленная как размер периметра зеленых сфер, показанных на рис.1. Длина лазерного импульса составляет несколько мм, что соответствует длине красной линии на рис.1. Рис.1 не масштабируется:

Рисунок 2. Фотоны, движущиеся с фиксированной групповой скоростью c внутри прозрачной среды, такой как стекло, имеют размер хвостовика (т.е. длину волны), поэтому общая длина, а также фазовая скорость лазерного импульса уменьшены на 40% по сравнению с групповой скоростью фотонов.

Как лучше всего объяснено и показано на рис. 2, фотоны, переходящие из поля гораздо менее плотной материи воздуха в поле гораздо более плотной материи стекла, на что соответственно указывает их показатель преломления, претерпевают уменьшение длины волны и уменьшаются в размерах на 40%. . Следовательно, их фазовая скорость, а также общая длительность лазерного импульса и его фазовая скорость эффективно уменьшаются на одну и ту же величину 40%.

Например, используя грубую аналогию, это похоже на случай, когда лошадь-спринтер (по аналогии с лазерным импульсом) пробегает относительно короткую дорожку до финиша, сразу после прохождения стартовой линии внезапно уменьшается в размерах, и хотя ее скорость не изменился, теперь ему нужно пройти большее расстояние, пока его передняя часть не пересечет финишную черту. Следовательно, его время до финиша увеличивается, поэтому его эффективная зарегистрированная фазовая скорость уменьшилась по сравнению с его фактической скоростью движения, а значит, и его групповой скоростью.

Остались два последних момента, которые необходимо объяснить, чтобы завершить наше объяснение явления.

Есть некоторые мнения, высказанные другими, что фотон будет сильно взаимодействовать с атомами стекла, вызывая такие явления, как рассеяние, поглощение-переизлучение и т. д. Однако это не подтверждается нашим повседневным жизненным опытом. Лазерный луч проходит насквозь, из стекла с незначительной потерей интенсивности и без какого-либо рассеивания луча. Они были отклонены нами, но также и другие 4 5. Фотон зеленого света размером 600 нм в случае видимого света, показанного на рис.2, не взаимодействует с ~100 пикометрами атомов кремния стекла (фотон в 6000 раз больше атома) и прорезает их насквозь, проходя через вакуумное пространство между атомами при фиксированной скорости групповой скорости c. Минимальное хихиканье в поле атома, конечно, присутствует при прохождении фотона и регистрируется как движущееся относительно небольшое искажение в поле материи стекла.

Следующий момент, который мы должны уточнить, заключается в том, что согласно следующему уравнению:

Но также то, что в физике известно, что частота f фотонов (т.е. количество фотонов, проходящих в единицу времени, таким образом, насколько интенсивен импульс лазерного луча) лазерного импульса (см. рис.1) не будет будет зависеть от двух разных сред, показанных на рис. 2, и останется неизменным. Это показано на рис.2, где расстояние между фотонами в воздухе и в стекле остается таким же, как показано. Поэтому уменьшение общей длительности лазерного импульса и, следовательно, уменьшение фазовой скорости$V_{P}$прямо пропорциональны, только уменьшению длины волны λ, размеру фотона.

Другие исследователи предполагают, что фотон больше не является безмассовой частицей, когда он проходит через поле плотной материи, такое как поле стекла, и становится чем-то другим, называемым поляритоном [4] .который имеет массу и, следовательно, замедлил бы свою групповую скорость ниже, чем c. Предлагается в качестве альтернативного объяснения того, что деформированный фотон (т.е. поляритон) на самом деле имеет групповую скорость меньше c. Хотя эти квазичастицы реальны в некоторых полупроводниковых материалах, я отклоняю это объяснение в отношении прозрачного вещества, такого как стекло, поскольку оно также предполагает более сильное взаимодействие лазерного луча на его пути с атомами в стекле, чего мы не наблюдаем, поскольку непрерывный лазер пучок выходит практически без изменений по своим характеристикам, частоте, интенсивности и толщине. Это очень заметно при угле падения луча на стекло, равном 0°, где преломление отсутствует, а электрические и магнитные векторы фотона однородно сжаты.

Фотоны движутся медленнее в различных средах в конечном счете из-за сохранения энергии. Фотон — это фиксированный квант энергии, который выражает себя как колеблющееся электромагнитное поле, путешествующее в пространстве. Таким образом, для сохранения энергии при прохождении через диэлектрическую среду с диэлектрической проницаемостью ниже, чем у вакуума, необходимо уменьшить частоту колебаний и, соответственно, скорость, с которой распространяется свет. Так что это логическое ограничение, наложенное природой света как колеблющегося электромагнитного поля и сохранением энергии.

Никакого поглощения и испускания не происходит — одни и те же фотоны проходят через среду.

Электрическое поле фотона слабо связано с диэлектрическим полем составляющих молекул среды. Это слабое взаимодействие увлекает фотон, придавая ему эффективную массу m* и меньшую скорость v при прохождении через него. Фотоны высокой частоты имеют более сильные электрические поля, чем фотоны низкой частоты, и поэтому связь для фотонов высокой частоты намного сильнее. Импульс сохраняется, поскольку hk/2pi= m*v при входе в среду или выходе из нее.

Очень простой ответ: фотон поглощается составляющими среды (которая не является сплошной), после чего переизлучается большей частью в том же направлении.

Этот процесс требует времени, поэтому эффективная скорость света в среде уменьшается, а скорость света между поглощением и переизлучением остается равной скорости света в вакууме.

Альтернатива НЕ верна!

См. также здесь, в Википедии.

Я вижу, что ответы не охватывают несколько вещей.

1. Скорость света всегда равна c в пустом пространстве при измерении локально. Если вы измерите скорость света рядом с Солнцем (если смотреть с Земли), то увидите, что она меньше с, что вызвано эффектом Шаппиро, состоящим в основном из двух вещей. #1 часы идут медленнее рядом с солнцем (из-за гравитации солнца), если смотреть с земли, поэтому (скорость=расстояние/время) скорость будет медленнее, потому что вы делите расстояние на большее количество времени (вы делите на время истекло на ваших часах здесь, на Земле, которые тикают быстрее). # 2 расстояние, которое проходит свет, становится немного короче (если смотреть с Земли), потому что пространственно-временной континуум изгибается под действием гравитации Солнца, поэтому вы делите более короткое расстояние на большее время, поэтому вы получаете скорость, которая меньше c.

2. Скорость света (ЭМ-волны, состоящей из фотонов) всегда равна c при локальном измерении в пустом пространстве. Если вы измерите скорость электромагнитной волны внутри материала, даже воздуха, вы получите скорость меньше c.

3. Скорость фотонов всегда равна c при локальном измерении. Однако электромагнитная волна, состоящая из фотонов, будет иметь скорость меньше c внутри среды. Это связано с тем, что волновой фронт электромагнитной волны сам по себе будет замедляться в среде. Фотоны, с другой стороны, всегда будут путешествовать в пространстве внутри среды со скоростью c. Они либо путешествуют в пустом пространстве внутри среды, либо поглощаются и переизлучаются. Электронное поле вокруг ядра атома будет поглощать и переизлучать фотоны, то есть взаимодействие фотонов будет иметь место со средой, кроме этого, фотоны будут путешествовать в пустом пространстве.

4. Теперь, с точки зрения КМ, само поглощение и переизлучение происходит мгновенно. Почему тогда сам волновой фронт замедляется в среде?

5. Это ЭМ-взаимодействие, которое требует времени. Для атома Н это в среднем 10^-8 сек. Само ЭМ взаимодействие есть поглощение и переизлучение (и возбужденное состояние электронного поля, и возврат в нормальное состояние).

6. Как измерить скорость электромагнитной волны внутри среды? Вы измеряете время, прошедшее между тем, когда первые фотоны электромагнитной волны (волновой фронт) входят в среду, и когда первые фотоны (волновой фронт) выходят из среды.

7. Поскольку ЭМ-взаимодействию требуется время, чем плотнее среда, тем сильнее будет замедляться ЭМ-волна. Потому что чем плотнее среда, тем больше атомов приходится на определенную толщину среды, и тем большее ЭМ-взаимодействие фотонам придется совершить, чтобы пройти через среду. Чем больше взаимодействие, тем больше времени потребуется для прохождения электромагнитного волнового фронта.

Итак, на ваш вопрос, почему фазовая скорость света будет меньше, можно ответить, прояснив, что:

1. замедление связано только с электромагнитным волновым фронтом и потому, что мы измеряем скорость электромагнитной волны, измеряя время между тем, когда волновой фронт входит в среду и выходит из нее.

2. Фотоны не замедлятся. Потому что мы измеряем скорость фотонов, когда они путешествуют. Мы не считаем время, когда они превращаются в энергию в электронном поле (между поглощением и переизлучением). И хотя поглощение и переизлучение происходят мгновенно, ЭМ-взаимодействию все же нужно время. Но мы не учитываем это время при вычислении скорости фотона.

3. Когда мы измеряем скорость электромагнитной волны как стада фотонов, мы подсчитываем время, когда стадо фотонов преобразуется в энергию в электронных полях.

4. В этом разница между скоростью стада (и фронта волны) и отдельных фотонов.

Итак, вопрос, который вы задаете,

«Итак, вопрос в том, что на самом деле вызывает уменьшение фазовой скорости света?

1. «дрейфовая скорость» фотонов (это не одни и те же фотоны, они все время переизлучаются)
2. разность фаз между поглощенным и излучаемым светом
3. что-то другое"

Ответ заключается в том, что это все три. Это не одни и те же фотоны. Есть разность фаз. И есть время, необходимое для ЭМ-взаимодействия.