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Reconciliar la refracción con la teoría de partículas y la teoría de ondas

He buscado en la red buenas respuestas a por qué se produce la refracción cuando la luz pasa de un medio a otro con diferente densidad. Tengo una formación limitada en física y quiero saber si hay una manera fácil de entender esto sin tener que volver a la escuela durante años.

La mayoría de las explicaciones vienen en alguna variante de la analogía de la "línea de soldados en marcha", en la que una línea recta de soldados cambia de ritmo cuando llega a un límite. No tengo ningún problema en entender la analogía, mi problema es entender cómo esto es relevante para la luz.

  • La analogía no funciona para la luz como partícula. La partícula no "conoce" las partículas que la rodean, y debe seguir una línea recta.

  • ¿Cómo puede un solo rayo de luz (onda), como parte de un "frente de onda", saber lo que hacen otros rayos?

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chillitom Puntos 5731

Gracias a Marek, por señalar las conferencias de Richard Feynman en estos dos vídeos.

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

y

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

Hacia la mitad del segundo vídeo explica el concepto de refracción de los fotones. Las conferencias se pueden entender sin necesidad de tener conocimientos profundos de física. Hay que reservar unos 120 minutos.

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eddiegroves Puntos 118

Se trata de una pregunta interesante, ya que implica sobre todo la comprensión del que pregunta. Una pregunta similar formulada por alguien que utilizara una terminología diferente merecería una respuesta distinta. La que proporciono es, espero, compatible con la comprensión del interrogador. No es una explicación completa de la situación como la que podría dar un estudiante de física. Con esa advertencia...

La partícula no "sabe" de partículas a su alrededor, y debe seguir una línea recta. En la física contemporánea, la luz se considera tanto una partícula (el fotón) como una onda (no en el sentido de las ondas de la electricidad y el magnetismo, sino en el de una onda cuántica). Una onda cuántica conoce algo más que la trayectoria clásica.

Cómo funciona un solo rayo de luz (onda), como parte de un "frente de onda" sabe que otros rayos?

Por la forma en que está redactada esta pregunta, supongo que el escritor ve la luz como una especie de partícula puntual clásica (cuyas trayectorias seguirían "rayos"), pero con la característica añadida de ser una onda (y, por tanto, de tener una existencia a lo largo del rayo, como es necesario para que una onda tenga una energía o un momento definidos). La pregunta es sofisticada en el sentido de que el escritor entiende que la luz tiene propiedades ondulatorias y yo trataré de llevar esa comprensión un poco más allá.

La luz (incluso la "clásica", es decir, la que sigue las leyes de Maxwell sobre la electricidad y el magnetismo) no sigue rayos. Un rayo es una idealización que sólo se aplica cuando la anchura del rayo es grande comparada con la longitud de onda de la luz.

Podríamos intentar crear un rayo de luz más estrecho que la longitud de onda de la luz haciendo brillar la luz sobre una lámina de cobre (u otro material opaco y delgado) con un solo agujero perforado en ella. Si hacemos el agujero más pequeño que la longitud de onda de la luz, es lógico que el rayo que salga de él tenga un diámetro menor que la longitud de onda de la luz. Pero, de hecho, esto no es lo que ocurre. En cambio, la luz se dispersa por el agujero y se desvía en todas las direcciones.

El efecto es similar a lo que ocurriría si se tuviera una obstrucción a las olas del mar pero con un solo agujero. Suponiendo que el agujero sea pequeño en comparación con la longitud de onda de las olas del océano, las olas que lo atraviesen no aparecerán como un rayo de ondas, sino que se extenderán lejos del agujero en todas las direcciones.

En lugar de "refracción", esta característica de la luz se llama "difracción". El artículo de la wikipedia sobre la difracción ( http://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction ) tiene una útil foto de ondas de agua difractadas. La luz funciona de la misma manera. He añadido líneas rojas para mostrar la barrera y flechas verdes para mostrar la dirección en que se mueven las ondas. La onda comienza en la parte inferior izquierda y se mueve hacia la parte superior derecha:

Diffraction Demonstration

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heathrow Puntos 25

Es importante tener en cuenta que una línea de soldados que marchan hacia adelante cambian de dirección hacia adentro cuando aceleran y cambian de dirección hacia afuera cuando frenan, exactamente lo contrario de lo que hace la luz. La antigua teoría corpuscular newtoniana de la luz predecía que la luz viaja más rápido en el vidrio, y supongo que por eso el índice de refracción se define como el recíproco de lo que cabría esperar.

La teoría ingenua de las partículas es incorrecta, y la teoría de las ondas explica la refracción de forma muy sencilla, haciendo coincidir los picos de las ondas que se mueven a diferentes velocidades a ambos lados de la barrera.

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