¿Por qué la luz cambia de dirección cuando atraviesa el cristal?

Question

Esto me lo explicó hace muchos años un profesor de física con la siguiente analogía:

"Si alguien que está en la playa quiere llegar a otra persona que está en el agua, tratará de viajar todo lo que pueda por la playa y lo menos posible por el agua, porque así llegará más rápido".

Estoy parafraseando, por supuesto, pero esto es lo más exacto que recuerdo.
Esta explicación no tiene sentido para mí. ¿Me estaba diciendo que la luz sabe a dónde va? ¿Quiere llegar más rápido? ¿Elige una dirección diferente?
(No hace falta que respondas a estas preguntas, sólo trataba de entender la analogía).

Mis intentos de aclarar la cuestión fueron infructuosos y muchos años después sigo sin saberlo.

¿Por qué la luz cambia de dirección cuando viaja a través del vidrio?

Answer 1

El profesor estaba tratando de explicar Principio de Fermat que es uno de los principios variatinales (de mínima acción) más simples de la física clásica. Y tu pregunta parece expresar una frustración común sobre la propiedad aparentemente "teleológica" de todos los principios variacionales: ¿cómo la (partilce, onda, rayo...) "sabe" de antemano qué camino seguir? Artículo de la Wikipedia sobre el principio de mínima acción específicamente aborda esta frustración (pero no da referencias válidas, por desgracia).

Las leyes de propagación son locales en el tiempo y el espacio, pero a veces es más fácil deducir sus resultados utilizando construcciones matemáticas no locales, como el principio de Fermat. El profesor ha hecho una gran analogía para explicar el principio, pero no hay que esperar que se obtenga una imagen paso a paso de él.

Answer 2

La explicación es muy sencilla. El razón la luz cambia de dirección ("se dobla") cuando viaja a través del vidrio, es porque la luz viaja más lento en el vidrio que en el aire. Si ahora también quieres saber por qué la luz viaja más lentamente en el vidrio que en el aire, es porque la densidad del vidrio es mayor que la del aire y los campos electromagnéticos de las moléculas del vidrio interfieren más, que los del aire, en la propagación de la luz.

Como puedes ver, no es necesario dar poderes cognitivos, ¡a la luz!

En general, la luz se "dobla" cada vez que pasa de un medio a otro de mayor o menor densidad. En realidad, se trata de la diferencia en las densidades que provoca la curvatura de la luz.

Answer 3

La explicación de tu profesor, tal y como la describes, parece un poco displicente. Es cierto que la luz va de A a B en el menor tiempo posible, dadas las diferentes velocidades en diferentes medios. Desde una perspectiva humana, casi parece que los rayos de luz están calculando todas sus posibles opciones de trayectoria y eligiendo la más óptima. La verdadera pregunta es: ¿cuál es el mecanismo físico que permite a la luz realizar lo que parece ser el acto de un ser racional con infinitos poderes de cálculo?

Las respuestas a esta pregunta se encuentran totalmente en el ámbito de la teoría ondulatoria clásica. No se puede obtener más información si se indaga en los misterios de la mecánica cuántica. Primeczar ofrece el esbozo de una explicación en la que las cargas polarizadas dentro del cristal se toman como fuente de nuevos campos. En realidad es más sencillo hacer el cálculo si simplemente se acepta que la velocidad de propagación en el vidrio es menor que en el aire, y se centra en el exceso de polarización que aparece sólo en la superficie del vidrio, no dentro del cuerpo. Entonces no es necesario determinar la cantidad de polarización, sólo reconocer que debe tener algún tipo de relación de fase constante con la fuerza motriz de la onda entrante. El ángulo de refracción se deduce inequívocamente de este argumento puramente geométrico.

Answer 4

El ángulo de desviación se debe a la resistencia al movimiento, que depende del tamaño de la partícula y de la densidad del medio. El fotón se comporta como una partícula en este efecto.Si entra en línea recta,la resistencia empuja hacia atrás y no cambia de dirección.En el artículo de la Wikipedia se llama "normal" a la entrada recta o perpendicular a la superficie. Si entra en ángulo,el vector de la fuerza de resistencia se analiza en dos componentes: una paralela y otra vertical a la ("normal").La última componente empuja al fotón lejos de la dirección "normal".

Answer 5

Echa un vistazo a la índice de refracción, que es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la del medio. La luz viaja más lentamente en un medio y, por tanto, "se desvía" y cambia de dirección, como en el dibujo.

n = velocidad de la luz en el vacío / velocidad de la luz en el medio

Por ejemplo, el índice de refracción del agua es de 1,33, lo que significa que en el vacío la luz viaja 1,33 veces más rápido que en el agua.

Debo añadir que se observa la refracción en todo tipo de ondas,

La refracción se describe mediante la ley de Snell, que establece que el ángulo de incidencia θ1 está relacionado con el ángulo de refracción θ2 mediante

sin(θ1)/sin(θ2)=v1/v2=n2/n1

donde v1 y v2 son las velocidades de onda en los respectivos medios, y n1 y n2 los índices de refracción. En general, la onda incidente es parcialmente refractada y parcialmente reflejada