Как увеличивается скорость света после выхода из стеклянной пластины?

Когда свет распространяется в стекле или другой среде, это не совсем настоящий, чистый свет. Это то, что (об этом вы узнаете позже) мы называем квантовой суперпозицией возбужденных состояний материи и чистых фотонов, причем последние всегда движутся со скоростью света.$c$.

Вы можете представить, для грубой мысленной картины, свет, распространяющийся через среду, что-то вроде игры в китайский шепот. Фотон поглощается одной из диэлектрических молекул, так что на фантастически мимолетное мгновение он исчезает. Поглощающая молекула задерживается порядка$10^{-15}{\rm s}$в возбужденном состоянии, затем испускает новый фотон. Новый фотон проходит небольшое расстояние, прежде чем снова поглощается и излучается, и цикл повторяется. Каждый цикл не имеет потерь : испущенный фотон имеет точно такую ​​же энергию, импульс и фазу, что и поглощенный. Если материал не является двулучепреломляющим , угловой момент также полностью сохраняется. Для двулучепреломляющих сред поток фотонов оказывает на среду небольшой крутящий момент.

Свободные фотоны всегда путешествуют со скоростью$c$, никогда на любой другой скорости. Именно тот факт, что энергия тратит короткое время на поглощение в каждом цикле и, таким образом, эффективно неподвижна, приводит к тому, что чистая скорость процесса меньше, чем$c$.

Так что фотон, покидая среду, не столько ускоряется, сколько замещается.

Но как лучу света сохранить свое направление? После того, как он был поглощен первым атомом, как он позже узнает, куда снова выстрелить новым фотоном? Где эта информация сохраняется?

Очень хороший вопрос. Это происходит по закону сохранения импульса. Взаимодействие настолько короткое, что поглотитель не взаимодействует ни с чем другим, поэтому испускаемый фотон должен иметь тот же импульс, что и падающий. Также обратите внимание, что мы НЕ являемся полным поглощением в смысле форсированного перехода между связанными состояниями атома (что дает резкие спектральные вырезы, типичные для этого явления), о чем говорит Дэвид Ричерби. Это переход между виртуальнымисостояния — такие вещи, которые позволяют, например, двухфотонное поглощение — и они могут быть практически где угодно, а не на строго связанных уровнях состояний. Как я уже сказал, это грубая аналогия: она возникла у Ричарда Фейнмана, и это лучшее, что я могу предложить старшекласснику, который, вероятно, раньше не имел дела с квантовой суперпозицией. Поглощение и свободное распространение происходят в квантовой суперпозиции , а не строго последовательно, поэтому информация не теряется, и когда вы записываете суперпозицию состояний свободных фотонов и возбужденных состояний вещества, вы получаете что-то эквивалентное уравнениям Максвелла (в том смысле, в каком я описываю в моем ответе здесь или здесь ) и из них естественно выпадают фазовая и групповая скорости.

Еще один способ качественно выразить мое последнее предложение состоит в том, что поглотитель действительно может излучать в любом направлении, но, поскольку все это находится в суперпозиции, амплитуда для того, чтобы это произошло в суперпозиции со свободными фотонами, очень мала, если только направление излучения близко не совпадает со свободным направлением. направление фотона, потому что фазы амплитуд двух процессов конструктивно интерферируют только тогда, когда они близки к синфазным, т . е . излучение идет в том же направлении, что и падающий свет.

Все это противопоставляется флуоресценции , где поглощение длится гораздо дольше, а в среду передаются как импульс, так и энергия, поэтому происходит распределение направлений распространения и смещается длина волны.

Другой комментарий:

Была книга, в которой говорилось, что масса фотона увеличивается, когда он входит в стекло... Я думаю, что эта книга вводит в заблуждение.

Если вы будете осторожны, комментарий книги может иметь некоторую ценность. Мы говорим о суперпозиции фотонов и состояний возбужденного вещества, когда свет распространяется в пластине, и эту суперпозицию действительно можно интерпретировать как имеющую ненулевую массу покоя, поскольку она распространяется со скоростью менее$c$. Сами свободные фотоны всегда распространяются с$c$и всегда имеют нулевую массу покоя. На самом деле вы затрагиваете нечто довольно спорное: эти идеи ведут к неразрешенному спору Авраама-Минковского .

Классическое объяснение, дополняющее превосходное квантово-механическое объяснение Рода:

Если построить распространение волны по Гюйгенсу (полагаю, вы знаете, как это сделать), то каждая точка на фронте волны рассматривается как источник новой волны с той же частотой и фазой. То, как эта волна распространяется, зависит от среды, с которой она сталкивается. Таким образом, вейвлеты Гюйгенса, генерируемые на выходной поверхности стекла, которые «видят» только пустое пространство перед собой, просто распространяются с соответствующей им скоростью — так же, как вейвлеты на входной поверхности видят среду с более высоким коэффициентом преломления. индекс и, следовательно, более медленное распространение (и преломление при ненормальном падении), поэтому те, кто на выходе, видят противоположное.

Что касается "потерь тепла" - если внутри стекла есть механизмы потери, то фотоны будут поглощаться, но всегда есть (очень маленькая) вероятность того, что фотон пройдет сквозь стекло - на практике эта вероятность может стать настолько малой, что вы не можете предположить, что нет. свет будет обнаружен, но это не то же самое, что сказать: «свет не может пройти через эту плиту». Вероятность против уверенности.

Два ваших вопроса основаны на ошибочном представлении о том, что свет теряет энергию, проходя через стеклянную пластину. Свет имеет скорость распространения, которая зависит от плотности среды. Когда световой луч проходит из вакуума (воздуха) в стекло, единственное, что происходит, это то, что волна задерживается (требуется больше времени, чтобы пройти то же расстояние из-за более высокой плотности). Поскольку v = d/t, если t становится больше, v становится меньше (для того же d). Это означает, что скорость распространения света в стекле замедляется. Как только он проходит через стекло, задержка исчезает, поэтому свет восстанавливает свою прежнюю скорость распространения в воздухе.
Хотя есть небольшие потери из-за того, что некоторые фотоны ударяются о «ядра» молекул стекла, основные потери связаны с «распространением» света (не когерентным светом). При правильном освещении (когерентном) можно использовать «мили» стеклянных волокон, и при этом свет будет выходить на дальнем конце.