Согласование преломления с теорией частиц и волновой теорией

Я искал в Интернете хорошие ответы на вопрос, почему происходит преломление, когда свет переходит из одной среды в другую с разной плотностью. У меня ограниченный опыт в физике, и я хочу знать, есть ли простой способ понять это, не возвращаясь в школу в течение многих лет.

Большинство объяснений дается в каком-то варианте аналогии с «Марширующими солдатами», когда прямая линия солдат меняет темп, когда они сталкиваются с границей. У меня нет проблем с пониманием аналогии, моя проблема заключается в том, чтобы понять, как это вообще относится к свету.

  • Аналогия не работает для света как частицы. Частица не «знает» о частицах вокруг себя и должна следовать по прямой линии.

  • Как отдельный луч света (волна) как часть «волнового фронта» знает, что делают другие лучи?

Чтобы действительно понять, почему это происходит, вам нужна квантовая теория. Посмотрите, поможет ли этот мой старый ответ: physics.stackexchange.com/questions/2041/…
Да, забавно, как некоторые вопросы, которые кажутся простыми, оказываются очень, очень сложными. Можно утверждать, что вопросы о том, как именно работает свет, когда он взаимодействует с образом, были одной из основных движущих сил в физике за последние 100 лет. Совершенно верно, что неудовлетворительные ответы классической физики о свете стали причиной развития квантовой теории.
Обратите внимание, что луч и волна — это не одно и то же. Лучевая оптика является приближением волновой оптики.
Оглядываясь назад, я бы не стал задавать вопрос 2. Концепция «Луча» или даже волн не важна для вопроса.
Не совсем то, о чем вы спрашиваете, но, возможно, представляет интерес: легко вывести закон Снелла (преломление лучевой оптики) из принципа Ферма.

Ответы (3)

Спасибо Мареку за указание на лекции Ричарда Фейнмана в этих двух видео.

http://vega.org.uk/video/programme/45

и

http://vega.org.uk/video/programme/46

Примерно в середине второго видео он объясняет концепцию преломления фотонов. Лекции можно понять без глубоких знаний физики. Вы должны выделить около 120 минут.

Ваш ответ был бы более полезным, если бы вы представили резюме, а не требовали двух часов времени читателя.

Это интересный вопрос, поскольку он требует в основном понимания спрашивающего. Аналогичный вопрос, заданный кем-то, кто использовал другую терминологию, заслуживает другого ответа. Тот, который я предлагаю, я надеюсь, совместим с пониманием спрашивающего. Это не полное объяснение ситуации, подходящее для аспиранта-физика. С этой оговоркой...

Частица не «знает» о частицах вокруг себя и должна следовать по прямой линии. В современной физике свет рассматривается и как частица (фотон), и как волна (не в смысле волн электричества и магнетизма, а в смысле квантовой волны). Квантовая волна знает больше, чем просто классический путь.

Как отдельный луч света (волна) как часть «волнового фронта» знает, что делают другие лучи?

Судя по тому, как написан этот вопрос, я предполагаю, что автор рассматривает свет как своего рода классическую точечную частицу (чьи траектории следуют «лучам»), но с дополнительным свойством волны (и, следовательно, существующей вдоль луч, что необходимо для того, чтобы волна имела определенную энергию или импульс). Вопрос сложен в том смысле, что автор понимает, что свет обладает волновыми свойствами, и я попытаюсь продвинуть это понимание немного дальше.

Свет (даже «классический», то есть свет, подчиняющийся законам электричества и магнетизма Максвелла) не следует за лучами. Луч — это идеализация, которая применяется только тогда, когда ширина луча велика по сравнению с длиной волны света.

Мы могли бы попытаться создать луч света, более узкий, чем длина волны света, направив свет на лист меди (или другого тонкого непрозрачного материала) с просверленным в нем единственным отверстием. Если мы сделаем отверстие меньше длины волны света, то само собой разумеется, что луч, выходящий из него, будет иметь диаметр меньше длины волны света. Но на самом деле этого не происходит. Вместо этого свет рассеивается отверстием и расходится во всех направлениях.

Эффект подобен тому, что произошло бы, если бы у вас было препятствие для океанских волн, но с одним отверстием в нем. Предполагая, что дыра мала по сравнению с длиной волны океанских волн, волны, которые проходят через нее, не будут выглядеть как луч волн, а вместо этого будут распространяться от дыры во всех направлениях.

Эта особенность света называется не «преломлением», а «дифракцией». В статье в Википедии о дифракции ( http://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction ) есть полезная фотография дифракции водных волн. Свет работает так же. Я добавил красные линии, чтобы показать барьер, и зеленые стрелки, чтобы показать направление, в котором движутся волны. Волна начинается слева внизу и движется вверх справа:

Дифракционная демонстрация

Могу ли я тогда заключить, что преломление нельзя понять без понимания квантовой теории? И я думаю, что школы и книги должны перестать использовать метафоры оркестра и "автомобиля, врезающегося в песок" :-)
@Glenn - преломление - это волновое явление, не имеющее априорной связи с квантовой механикой. Преломление можно наблюдать с волнами воды в ванне с подходящей установкой.

Важно отметить, что шеренга солдат, марширующих вперед, меняет направление внутрь, когда они ускоряются, и меняет направление наружу, когда замедляется, в точности противоположно тому, что делает свет. Старая ньютоновская корпускулярная теория света предсказывала, что свет распространяется быстрее в стекле, поэтому я полагаю, что показатель преломления определяется как величина, обратная тому, что вы ожидаете.

Наивная теория частиц неверна, а волновая теория очень просто объясняет преломление, сопоставляя пики волн, движущихся с разными скоростями по обе стороны барьера.

Согласование преломления с теорией частиц и волновой теорией
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v