Какие из этих теорий о том, почему свет замедляется в средах, верны?

Из предложенных вариантов я бы предпочел объяснение № 2. Это не требует квантовой физики; моделирование атомов в виде систем шариков и пружин работает довольно хорошо. В своем знаменитом учебнике для студентов Гриффитс делает это, и если у вас есть некоторая математическая подготовка, это было бы прекрасным местом для подробностей. Я думаю, что № 5/№ 6 также, возможно, верны, если вы рассматриваете проблему с точки зрения КТП и думаете о процессах виртуального поглощения/излучения. Но это, может быть, не очень показательно.

Как и вас, меня не особо интересовали объяснения на уровне отдельных атомов. Я думаю, что могу дать несколько более удовлетворительное объяснение, хотя подчеркиваю, что в конечном счете оно идентично:

Волна, проходящая через среду, не является чистой электромагнитной волной в том смысле, что это не только колебания электромагнитного поля. Скорее, это гибридизация этого поля и механической, колеблющейся волны самих атомов. Опять же, для наших целей в этих атомах нет ничего квантового. Это фиксированные ядра, прикрепленные маленькими пружинками к электронам, которые могут толкаться вверх и вниз и раскачиваться под воздействием электромагнитных волн.

И электромагнитное поле, и поле атомов можно представить в виде полей пружин, подобных большому матрасу, так что нажатие на одну часть вызывает рябь на другой части. В этом случае, из-за того, что поля связаны, у вас как бы есть два таких поля, наложенные почти друг на друга с небольшими нитями, соединяющими их. рябит в другом. Вот хороший пост в блоге, который, хотя физическая система отличается, говорит об одной и той же идее - поиск точного соответствия остается в качестве упражнения :).

Концептуально мы можем сосредоточиться на одной точке в этом поле, где у нас есть две пружины, связанные вместе, и мы нажимаем на них. Когда они независимы, эти пружины имеют разную жесткость и, следовательно, естественно колеблются с разной частотой. Мы хотим знать, что происходит, когда они связаны вместе. Это та часть, которую я не буду доказывать вам здесь, но оказывается, что если вы принимаете частоту возбуждения как фиксированную, то они колеблются вместе на этой частоте, нос фазовой задержкой из-за времени, которое требуется одной пружине, чтобы среагировать на другую. Эта задержка является ключевой вещью, которую вы упустили в № 2, которую, как вы думали, должны были быть квантовые эффекты. Его размер зависит как от собственных частот пружин, так и от того, насколько сильно они связаны. Когда вы смотрите на полные поля, это приводит к возбуждению, которое представляет собой комбинацию электромагнитного поля и атомов, плавно колеблющихся вместе внутри материала, и которое распространяется с меньшей скоростью, чем волна электромагнитного поля в одиночку.

В случае прохождения света через большинство прозрачных материалов связь настолько слаба, что помимо изменения скорости коллективное возбуждение сохраняет почти всю свою «фотонность», поэтому мы называем его фотоном как внутри, так и вне материала. Однако некоторые среды так сильно связывают свет, что коллективное возбуждение очень не похоже на фотон в вакууме. Эти возбуждения имеют забавные названия, такие как «поляритоны», и существует огромное количество исследований, классифицирующих их и использующих все их возможности.

После долгих поисков я нашел ответ на свой вопрос! :D

Ниже приводится краткое изложение информации, которую я нашел. Нет конкретной веб-страницы, на которую я могу сослаться, потому что я полагался на источники, которые цитировали другие источники, которые больше не существуют, но, возможно, эта информация когда-нибудь может быть полезна кому-то еще. Большая часть того, что я узнал, исходит от профессора Лу Блумфилда, который в настоящее время преподает физику в Университете Вирджинии.

РЕДАКТИРОВАТЬ : Ничто из этого не является цитируемым материалом: вся информация, размещенная ниже, была полностью переформулирована, а аналогии (кроме гитарной струны) принадлежат мне.

В окружении обычного вещества электрическое поле световой волны заставит электроны колебаться со скоростью, равной частоте световой волны: электрическая составляющая световой волны будет попеременно притягивать и отталкивать заряженные частицы.

Когда электроны в материале, прозрачном для определенной частоты, возбуждаются световой волной этой частоты, это отнимает энергию у световой волны. Но, что удивительно, фотоны не поглощаются: поскольку материал прозрачен для частоты волны, нет более высокой орбитали, которая точно соответствовала бы уровню энергии, который отдельный фотон передал бы электрону. Это означает, что передача энергии не может включать реальное взаимодействие частиц.

Так что же происходит? Вместо того, чтобы поглощать один или несколько фотонов, электроны входят в виртуальное квантовое состояние: временное возбуждение, которое точно не соответствует одному из состояний, которые может занимать электрон. Это очень похоже на вибрацию гитарной струны путем направления звука на струну. Если звук, который вы направляете на струну, соответствует частоте, с которой струна может вибрировать, это заставит струну вибрировать. Если звук, который вы используете, имеет неправильную частоту, струна будет немного покачиваться, как будто пытаясь вибрировать, а затем остановится, когда звук пройдет. Вот что происходит с электронами: они заимствуют энергию у световой волны, немного покачиваются, а затем возвращают энергию.

Виртуальное квантовое состояние очень ограничено по продолжительности и не считается взаимодействием частиц. Световая волна и электрон остаются незапутанными и продолжают действовать как волны вероятности. Электрон может играть с энергией световой волны только в течение короткого периода времени, прежде чем вернуть ее. Характеристики световой волны остаются неизменными, поскольку реального взаимодействия частиц не было. Так что свет не рикошетит от атомов и не излучается в обычном смысле электронами, которые с ним играют.

Несмотря на то, что все взаимодействия виртуальны, электроны — это материя, и им нужно время, чтобы раскачиваться. Поскольку это происходит снова и снова, это замедляет распространение волны.

Вы можете думать об этом как о своего рода трении, которое препятствует продвижению волны. Рассмотрим автомобиль, колеса которого вращаются с постоянной скоростью, и представьте, что он сталкивается с серией больших неровностей, которые немного замедляют его. Спидометр основан на вращении колеса, поэтому можно сказать, что машина вообще не изменила скорость: она такая же быстрая, как и на ровной местности. Однако автомобиль будет преодолевать меньше земли за интервал времени, потому что часть поворота колес используется для преодоления неровностей. Эти горбы похожи на процесс, когда электроны временно заимствуют энергию у световой волны.

Так действительно ли световая волна замедляется, или свет все еще движется в точке с, и замедляется только ее продвижение? На самом деле это неправильно сформулированный вопрос, и для всех практических целей ответ не имеет значения. Однако мне легче думать об этом как о замедлении движения волны. Это означает, что характеристика «свет движется со скоростью с во всех системах отсчета» остается верной, что значительно облегчает мне рассуждения о релятивистских эффектах.

Кроме того, я был неправ насчет того, что разные частоты замедляются на одинаковую величину: более низкие частоты замедляются меньше, чем более высокие частоты. Когда частота ниже, даже если у волны меньше энергии, электронам придется раскачиваться в более широкой области (их притягивают в течение более длительного периода, а затем отталкивают в течение более длительного периода). Поскольку при этом взаимодействии электроны остаются связанными со своими атомами, они не могут быть вырваны из атома виртуальным возбуждением. Таким образом, чем медленнее частота, тем «виртуальнее» должно быть возбуждение и тем меньше времени электроны должны играть со светом.

Полезна ли эта информация? Если да, то есть ли способ сделать его более доступным? Просто любопытно, так как я очень новичок в SE.