Почему свет преломляется?

Я читал, что свет замедляется в стекле, потому что фотоны взаимодействуют с атомами в стекле. Они поглощаются и переизлучаются, при этом их скорость уменьшается. См. также этот и этот пост Phys.SE и ссылки в нем.

Но тогда почему он изгибается? Меня это очень смутило! Кроме того, у меня очень мало знаний по оптике или физике в целом.

Название не соответствует содержанию вопроса. Ответ на вопрос, поставленный в заголовке, заключается в том, что это просто вопрос симметрии.
Я не понимаю аналогию с оркестром. «Фронт марша» (фронт волны) становится наклонным (больше не перпендикулярным направлению марша), но направление его движения остается прежним, если только что-то не заставило отдельных участников марша изменить направление на «маскировочной ленте» (граничной линии), но что? Фронт волны всегда перпендикулярен или тангенциален направлению распространения волны, поэтому эта аналогия неверна. Можете ли вы объяснить изменение направления волнового фронта при преломлении с помощью принципа Гюйгена и интерференции? Будет ли это означать, что некоторая малая доля света распространяется во всех направлениях?

Ответы (3)

Хороший вопрос, и тот, который поставил меня в тупик в течение долгого времени.

В отсутствие материи световая волна не имеет массы. Однако в присутствии поляризуемого вещества свет взаимодействует с веществом и образует сложную систему. Теперь у вас есть одна волновая функция, описывающая объединенную систему, и вы больше не можете разделить ее на бит света и бит материи . Эта составная система распространяется со скоростью менее с .

Составная система света и материи называется поляритоном, хотя я думаю, что, строго говоря, термин поляритон зарезервирован для сильно взаимодействующих систем, таких как конденсаты Бозе-Эйнштейна, где скорость света может быть уменьшена до нескольких метров в секунду.

Гм... За исключением того, что скорость меньше c, я думаю, что большая часть этого неверна.

«Принцип наименьшего действия» Ферма.

Чтобы понять причину, по которой это происходит, вам нужно подумать с точки зрения принципа наименьшего действия Ферма . Причина, по которой свет преломляется, заключается в том, что он «оптимизирует» свой путь. Другими словами, свет проходит путь минимального времени. Это принцип, сформулированный Ферма, и если вы проведете его математический анализ, что несложно, вы сможете вывести закон Снеллиуса. В квантовой механике это объясняется бесконечным числом путей, по которым идет свет, и тем, как складываются вектора, чтобы получить наиболее вероятный путь.

Когда свет падает вертикально на границу раздела двух сред, прямой путь является кратчайшим с точки зрения времени. Таким образом, нет необходимости, чтобы свет отклонял свое направление. Конечно, часть этого будет отражена обратно. Например, если это воздух-стекло, я думаю, что около 4% будет отражено, а остальное будет передано.

Что касается вопроса «почему свет замедляется», то он обсуждался где-то на этом форуме.

Это правда, но это не отвечает на вопрос. Принцип наименьшего действия Ферма — это математическая модель, которая выражает поведение света при классическом распространении, но не дает ответа на вопрос, почему свет искривляется при преломлении. Если хорошенько подумать, на этот вопрос очень сложно ответить, поскольку он касается внутренней природы света, которая до сих пор так же загадочна, как и сама квантовая механика. Дальнейшая лекция

Хорошая мотивационная книга, чтобы начать понимать это, — «КЭД» Фейнмана.

https://www.amazon.com/QED-Strange-Princeton-Science-Library/dp/0691164096/

Есть модели света, которые были использованы. Рассмотрим модель частиц. В этом случае у вас есть мяч, катящийся вперед. Он ударяется о вершину рампы и скатывается вниз. И вы находите соотношение скоростей вверху и внизу. И вас очень забавляет то, что он подчиняется закону Снелла. Но проблема в том, что кажется, что свет движется быстрее на той стороне, где показатель преломления выше. Хм...

Затем вы можете использовать пульсирующие резервуары в своей физической лаборатории. И вы измеряете скорость движения волн как функцию глубины.

https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=2223

В более глубокой воде волны быстрее. И вы выполняете лабораторную работу, чтобы получить скорость на разных глубинах в вашем пульсирующем резервуаре.

Затем вы строите модель преломляющей поверхности. Это всего лишь небольшая платформа, так что вы можете иметь две глубины в резервуаре одновременно.

Затем вы вводите волны, которые ударяются о край платформы под углом. И вы измеряете их угол с другой стороны. И вас забавляет, что он подчиняется закону Снелла. Но теперь волны движутся медленнее на той стороне, которая указывает на более высокий показатель преломления. И вы думаете, Ахах! Свет — это волны.

Затем ваш учитель дает вам убийственное задание. Объясните, почему волны меняют угол, когда они движутся из области с более высокой скоростью в область с более низкой скоростью.

http://www.physicsclassroom.com/class/refrn/Lesson-1/The-Cause-of-Refraction

И вы смотрите на ряды марширующих людей и думаете, а это опять теория частиц? Но в случае с водой ответ «вроде».

Волны на воде – это движение частиц воды. Каждая частица движется круговыми движениями вверх-вниз и вперед-назад и заканчивается недалеко от того места, где она началась. Каждая частица просто делает то, что она делает, и передает какой-то толчок своим соседям. Когда вы доберетесь до края, толчок придется передать соседям, которые пытаются по-другому передвигаться по платформе. Таким образом, вы получаете разницу в передаваемой чистой силе. Если вы измерите платформу, вы обнаружите, что на нее давит какая-то сеть.

Свет делает что-то подобное, но это фотоны, а не волны в воде. Здесь вам нужно будет прочитать что-то еще, например, книгу Фейнмана.