Действительно ли свет проходит через стекло?

Краткий ответ на суть вашего вопроса,

поглощают ли частицы, из которых состоит стекло, волны и переизлучают их в прямом направлении? Или световые волны проходят через стекло, не поглощаясь, а затем выходят из стекла?

заключается в том, что задействованы оба процесса, хотя термин «поглощать» имеет важные тонкости. Проходящий свет создается интерференцией исходного луча и излучения, создаваемого возбуждениями, которые он производит внутри стекла, и именно эта интерференция создает дополнительную фазу, закодированную в показателе преломления стекла, которая затем просачивается к фазовой скорости и изменение длины волны.

Чтобы понять, почему это так, лучше всего начать с описания макроскопической электродинамики стеклянной пластины, в котором основным понятием является понятие плотности поляризации стекла. $\mathbf P$. Электродинамика — это линейная теория, и она рассматривает проблему распространения света через стекло как суперпозицию двух разных источников:

• начальный световой пучок, присутствующий как на стеклянной плите, так и за ней, и
• колебания заряда, которые первоначальный световой луч возбуждает в стекле, которые в основном излучают (поскольку они по существу представляют собой фазированную решетку ) в направлении начального луча.
• (Есть также поверхностные члены, создаваемые этими колебаниями заряда, которые вызывают отражения на границах, но я не буду их здесь рассматривать.)

Поле после стеклянной пластинки создается интерференцией исходного луча и излучения, создаваемого колеблющимися зарядами внутри стекла.

Однако вот что важно: стекло может участвовать в этой игре «индуцированные колебания, а затем испускание», вообще не поглощая никакой энергии . В устойчивом состоянии колебания заряда внутри стекла точно на 90° не совпадают по фазе с электрическим полем, которое их возбуждает, а это означает, что чистая мощность, которую они излучают, передается в равных количествах драйвером.

Однако если вы хотите пойти дальше и поговорить о фотонах, вам нужно быть немного осторожнее. Если вы думаете о свете как о квантованном объекте, то это квантованный объект, который связан с материей, через которую он проходит: другими словами, это совместное возбуждение электромагнитного поля и колебаний заряда, которые оно производит в стекло.

По существу, фотон ненадолго становится поляритоном , пока он находится в стекле, хотя этот термин обычно зарезервирован для ситуаций с гораздо более сильной связью с резонансными энергетическими уровнями, когда эти возбужденные энергетические уровни (или, точнее, , существенная амплитуда вероятности возбуждения каждого отдельного излучателя на эти энергетические уровни), чем то, что происходит в обычном дисперсионном диэлектрике. В стекле вероятность возбуждения (т. е. «вероятность того, что атом поглотил фотон») пренебрежимо мала, поскольку его вклад во внутреннюю энергию идет (поэтому его часто называют «виртуальным переходом»),

Тем не менее, конечно, вам все равно нужно обеспечить начальный бит энергии, чтобы перевести эту небольшую популяцию в возбужденные состояния, и это обычно берется с переднего фронта импульса, пока устанавливается монохроматическая ситуация ─ и обычно возвращаются обратно в поле, когда импульс уходит, пока среда прозрачна. (Конечно, до определенного момента — существуют строгие ограничения на то, насколько дисперсионной может быть среда без поглощения энергии. Однако существует множество прозрачных сред, где поглощение чрезвычайно мало, и этим можно пренебречь.)

Когда световая волна падает на лист стекла, частицы, из которых состоит стекло, поглощают волны и переизлучают их в прямом направлении? Или световые волны проходят через стекло, не поглощаясь, а затем выходят из стекла?

Этот ответ дан с точки зрения неквантовой электромагнитной теории (без фотонов).

Если этот вопрос имеет смысл, мы должны предположить, что электромагнитные поля можно различить по их источнику. Это может показаться невозможным на практике, но на самом деле это математически возможное предположение из-за линейности уравнений Максвелла.

Тогда ваш вопрос можно переформулировать следующим образом: останавливается ли первичное поле источника света на поверхности стекла, и оттуда поле внутри стекла является полем стеклянных частиц?

Ответ на этот вопрос определенно нет . Основная причина заключается в том, что в ЭМ теории при сделанном выше предположении об отождествлении поля с его источником первичное поле не может быть заблокировано другими частицами, мешающими ему. Первичное поле в виде уходящей волны просто движется дальше, как если бы стекла вообще не было, определяемое уравнениями Максвелла из движения исходных частиц и обычного предположения, что поля запаздывают (или какое-то другое предположение, выделяющее решение задачи). уравнения Максвелла, согласующиеся с движением исходных частиц).

Другие частицы, подобные частицам в стекле, могут взаимодействовать с этим полем и, таким образом, изменять свое движение. В результате этого взаимодействия они могут излучать собственное ЭМ поле (вторичное поле) и, таким образом, влиять на общее ЭМ поле в стекле, которое является суммой первичного и вторичного полей.

РЕДАКТИРОВАТЬ

Если другие частицы взаимодействуют с первичным полем, не могут ли они не поглощать из него энергию? И если да, то не могут ли они поглотить всю волну до того, как она «выйдет» из стекла?

Частицы могут поглощать энергию из энергии электромагнитного поля, но это не означает, что первичная волна должна быть изменена (это невозможно, поскольку она подчиняется уравнениям Максвелла с исходными членами, не содержащими стеклянных частиц). В макроскопической теории энергетический вопрос объясняется следующим образом. ЭМ-энергия в любой области является функцией общего ЭМ-поля, ее нельзя рассматривать как сумму независимых вкладов из-за независимых полей, определенных выше (посредством связи с источником). Математически это связано с тем, что ЭМ энергия содержит «члены взаимодействия», каждый из которых зависит от двухполя, в нашем случае будет перекрестный термин для основного и дополнительного поля. Мы знаем, что энергия электромагнитного поля будет меняться, поскольку частицы стекла будут поглощать часть его энергии. Но при этом они производят свое вторичное поле, которое изменяется во времени и вызывает изменение ЭМ энергии. Вот как меняется ЭМ энергия вблизи стеклянных частиц, даже если первичное поле такое, как если бы стекла там не было. Достаточно изменить вторичное поле.

Кроме того, как первичная волна может просто двигаться дальше, как если бы стекла вообще не было? Наверняка частицы на поверхности стекла также взаимодействуют с волной и поглощают ее часть?

Частицы взаимодействуют в том смысле, что они испытывают силу. Но они не изменяют основную волну напрямую. Это связано с тем, что первичная волна по определению подчиняется уравнениям Максвелла, в которых условия источника (заряд и плотность тока) относятся только к источнику света, вклад частиц стекла отсутствует.

Частицы стекла изменяют общее поле через собственное поле (вторичное поле). Мы наблюдаем, что это полное поле затухает по амплитуде (и описывается словом «поглощение») по мере распространения волны в стеклянной среде.

Немного того и другого. Каждая молекула стекла не может поглотить каждый фотон, поэтому некоторые из них просто проходят через пустое пространство между молекулами. Но свет, падающий на молекулы стекла, поглощает фотон и снова испускает его в прямом направлении. Подумайте о жесткости атомной структуры, позволяющей ей высвобождать именно ту энергию, которую она получает, а не ее части с более кинетически энергичными электронами.

Я полагаю, что ваше замешательство связано с тем, что в первой ссылке используется изображение из квантовой теории поля (КТП), а во втором — из квантовой механики (КМ).

В КТП электрону разрешается «одалживать» энергию на «короткий» промежуток времени. Следовательно, оно может поглотить фотон, даже если стекло не обладает энергетически адекватным электронным состоянием — адекватным электронным состоянием было бы состояние, в котором выполняется закон сохранения энергии. Однако, на мой взгляд, не очень полезно думать об этом процессе КТП как о реальном поглощении фотона, а просто как о взаимодействии между электроном и фотоном. Если вы сделаете это, две картины станут когерентными: обе объясняют, почему мы получаем показатель преломления.$n$.