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.
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 .
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.
«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.
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.
пользователь4552
МайкВ