¿Cuál de estas teorías sobre por qué la luz se ralentiza en los medios de comunicación es cierta?

Question

Esta pregunta es similar a las anteriores, pero las respuestas a las mismas son confusas y creo que se puede cubrir mejor enumerando todas las posibles respuestas para mayor claridad.

Es una pregunta sencilla y común: ¿por qué la luz parece viajar más lentamente en un medio transparente a su longitud de onda que en el vacío? He visto respuestas por toda la web de profesores de doctorado de las principales universidades cuyas respuestas son completamente diferente . Aquí están todas las categorías generales de respuestas que he visto a los físicos profesionales:

1. En realidad, la luz se mueve más lentamente a través de los medios transparentes. No sabemos realmente por qué.

2. En realidad, la luz se mueve más lentamente a través de los medios transparentes. La razón es que los efectos EM de la luz inducen a las partículas cargadas cercanas (electrones y núcleos) a alterar el campo EM con una vibración armónica que "anula" parte de la velocidad de la onda luminosa.

3. La luz no se mueve más despacio. No sabemos por qué parece hacerlo.

4. La luz no se mueve más despacio. Rebota en el medio, lo que hace que avance más lentamente.

5. La luz no se mueve más despacio. Es absorbida y emitida por los electrones del medio, lo que hace que avance más lentamente.

Mis pensamientos sobre cada uno de ellos:

1. Si la luz se mueve realmente más despacio pero no hemos averiguado por qué, yo esperaría que se comportara relativistamente de manera similar a los bradiones (partículas con masa invariable que no pueden alcanzar la velocidad de la luz); pero esto es inconsistente con una forma de energía que no experimenta el tiempo. No veo cómo cualquier explicación de la luz "ralentizada", que no sea la 2, puede ser coherente.

2. Actualmente me inclino por esta respuesta, aunque es la más rara que he visto. Sin embargo, no entiendo la mecánica de cómo una onda de luz puede ser anulada o frenada por la inducción EM. Mi fuerte sospecha es que los efectos cuánticos son necesarios: es decir, la luz no se ralentizaría en absoluto si el entorno estuviera siempre enredado con ella (si eres uno de esos bichos raros de Copenhague, esto significa que si la función de onda estuviera continuamente colapsada de forma que la luz se comportara como fotones individuales).

3. Esto parece bastante probable. No espero que los físicos hablen con el culo, pero me cuesta entender por qué tantos físicos cualificados tienen explicaciones completamente diferentes para este principio básico.

4. Esto me parece muy poco probable, a pesar de ser la segunda explicación más común que he encontrado. Si la luz se dispersara, no avanzaría en la misma dirección a través del medio: se dispersaría (para que se ralentizara sensiblemente tendría que rebotar en miles de millones de átomos a lo largo del camino). Pero podemos ver un haz de luz refractarse a través de un medio transparente, y no se difunde mucho.

5. Esta es la explicación más común, pero me parece la menos convincente. No sólo se aplican las cuestiones del punto 4, sino que además estamos hablando de un material que es casi completamente transparente a la longitud de onda de la luz que se refracta. EDITAR : Anteriormente afirmé aquí que el efecto de ralentización no depende de la frecuencia de la luz, lo cual es incorrecto. Véase más abajo.

¿Hay alguien que realmente se gane la vida con la física ciertos ¿comprendes este fenómeno? ¿O estamos todos escupiendo a ciegas en la oscuridad? Es muy frustrante ver a los físicos dando explicaciones incompatibles (¡con aire de certeza!) para un fenómeno conocido desde la antigüedad, pero supongo que puede ser posible que más de una explicación sea cierta...

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EDITAR : ¡Creo que tengo la respuesta! He respondido a mi propia pregunta a continuación.

Answer 1

De las opciones dadas, me inclino por la explicación nº 2. No requiere física cuántica; modelar los átomos como sistemas de bolas y muelles funciona bastante bien. En su famoso libro de texto para estudiantes universitarios, Griffiths lo hace, y si tienes alguna formación matemática, ese sería un buen lugar para buscar los detalles. Creo que #5/#6 son también, posiblemente, correctos si tratas el problema con una perspectiva de QFT y piensas en procesos de absorción/emisión virtuales. Pero eso quizá no sea muy esclarecedor.

Al igual que tú, no me interesaron mucho las explicaciones a nivel de átomos individuales. Creo que puedo dar una explicación un poco más satisfactoria, aunque insisto en que en última instancia es idéntica:

La onda que viaja por el medio no es una onda electromagnética pura, en el sentido de que no es sólo el campo electromagnético el que ondea. Más bien, es una hibridación de este campo y la onda mecánica y ondulante de los propios átomos. De nuevo, para nuestros propósitos no hay nada cuántico en estos átomos. Son núcleos fijos unidos por pequeños resortes a los electrones, que pueden ser empujados hacia arriba y hacia abajo y se tambalean por las ondas EM.

Tanto el campo EM como el campo de los átomos pueden imaginarse como campos de resortes, como un gran colchón, de tal manera que al empujar una parte se producen ondulaciones hacia la otra. En este caso, como los campos están acoplados, es como si tuviéramos dos de estos campos colocados casi uno encima del otro, con pequeñas cuerdas que los conectan: si inicias una ondulación en uno, se extenderá hacia fuera en ese campo e inducirá una ondulación en el otro. Aquí es una bonita entrada del blog que, aunque el sistema físico es diferente, habla de la misma idea - encontrar la correspondencia exacta se deja como ejercicio :).

Conceptualmente, podemos centrarnos en un punto de este campo, en el que tenemos dos muelles atados y los empujamos. Al ser independientes, estos muelles tienen rigideces diferentes y, por tanto, oscilan naturalmente a frecuencias diferentes. Queremos saber qué ocurre cuando están atados. Esta es la parte que no te voy a demostrar aquí, pero resulta que si tomas la frecuencia de accionamiento como fija, entonces oscilan juntos a esta frecuencia pero con un retraso de fase debido al tiempo que tarda un muelle en responder al otro. Este retardo es la clave que te faltaba en el nº 2, que pensabas que tenían que ser efectos cuánticos. Su magnitud depende tanto de las frecuencias naturales de los muelles como de la intensidad con que estén acoplados. Cuando observas los campos completos, esto da lugar a una excitación que es una combinación del campo EM y de los átomos que ondulan suavemente juntos dentro del material, y que viaja a una velocidad más lenta que la que tendría la onda del campo EM por sí sola.

En el caso de la luz que viaja a través de la mayoría de los materiales transparentes, el acoplamiento es tan débil que, además del cambio de velocidad, la excitación colectiva conserva casi toda su "fotonicidad", por lo que la llamamos fotón tanto dentro como fuera del material. Sin embargo, algunos medios se acoplan tan fuertemente que la excitación colectiva es muy diferente a un fotón en el vacío. Estas excitaciones tienen nombres divertidos como "polaritones", y hay una inmensa cantidad de investigaciones que las clasifican y juegan con todas sus posibilidades.

Answer 2

Después de buscar mucho más, ¡he encontrado la respuesta a mi pregunta! :D

A continuación, un resumen de la información que he encontrado. No hay ninguna página web específica que pueda enlazar porque me basé en fuentes que citaban otras que ya no existen, pero quizá esta información pueda ser útil para alguien más algún día. La mayor parte de lo que aprendí proviene del profesor Lou Bloomfield que actualmente enseña física en la Universidad de Virginia.

EDITAR : Nada de esto es material citado: toda la información publicada a continuación ha sido completamente reformulada, y las analogías (aparte de la cuerda de la guitarra) son mías.

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Cuando está rodeada de materia normal, el campo eléctrico de una onda luminosa hará que los electrones se agiten a una velocidad igual a la frecuencia de la onda luminosa: la componente eléctrica de la onda luminosa atraerá y repelerá alternativamente las partículas cargadas.

Cuando los electrones de un material transparente a una determinada frecuencia son excitados por una onda luminosa de esa frecuencia, esto resta energía a la onda luminosa. Pero, sorprendentemente, no se absorbe ningún fotón: como el material es transparente a la frecuencia de la onda, no hay ningún orbital superior que coincida exactamente con el nivel de energía que un fotón individual impartiría a un electrón. Esto significa que la transferencia de energía no puede implicar una verdadera interacción de partículas.

¿Y qué pasa? En lugar de absorber uno o varios fotones, los electrones entran en un estado cuántico virtual: una excitación temporal que no coincide exactamente con uno de los estados que puede ocupar el electrón. Esto es muy parecido a hacer vibrar una cuerda de guitarra apuntando el sonido a la cuerda. Si el sonido que se dirige a la cuerda coincide con una frecuencia en la que la cuerda puede vibrar, hará que la cuerda vibre. Si el sonido que utilizas es de una frecuencia incorrecta, la cuerda se agitará un poco como si intentara vibrar, y luego dejará de hacerlo cuando el sonido pase. Eso es lo que ocurre con los electrones: toman prestada la energía de la onda luminosa, se contonean un poco y luego devuelven la energía.

Un estado cuántico virtual tiene una duración muy limitada y no cuenta como una interacción de partículas. La onda luminosa y el electrón permanecen sin enredarse y siguen actuando como ondas de probabilidad. El electrón sólo puede jugar con la energía de la onda luminosa durante un breve período antes de devolverla. Las características de la onda luminosa permanecen inalteradas porque no hubo una interacción real de partículas. Por tanto, la luz no rebota en los átomos, ni es emitida en el sentido habitual por los electrones que juegan con ella.

Aunque las interacciones son todas virtuales, los electrones son materia y tardan en sacudirse. Como esto ocurre una y otra vez, ralentiza el progreso de la onda.

Se puede pensar en esto como una especie de fricción que actúa contra el progreso de la onda. Pensemos en un coche cuyas ruedas giran a una velocidad constante e imaginemos que se encuentra con una serie de grandes baches que lo frenan ligeramente. El velocímetro se basa en el giro de las ruedas, por lo que diría que el coche no ha cambiado de velocidad en absoluto: es igual de rápido que en terreno llano. Sin embargo, el coche cubrirá menos terreno por intervalo de tiempo porque parte del giro de las ruedas se utiliza para superar las jorobas. Estas jorobas son similares al proceso de los electrones que toman prestada temporalmente la energía de la onda luminosa.

Entonces, ¿la onda luminosa está realmente ralentizada, o la luz sigue moviéndose a c y sólo se ralentiza su avance? En realidad no es una pregunta bien formulada, y a efectos prácticos la respuesta no importa. Sin embargo, me resulta más fácil pensar que se trata de una ralentización del avance de la onda. Esto significa que la característica de que "la luz se mueve a velocidad c en todos los marcos de referencia" sigue siendo cierta, lo que me facilita mucho el razonamiento sobre los efectos relativistas.

Además, me equivoqué al decir que las diferentes frecuencias se ralentizan en la misma medida: las frecuencias más bajas se ralentizan menos que las altas. Cuando la frecuencia es más baja, aunque la onda tenga menos energía, los electrones tendrán que sacudirse en un área más amplia (son arrastrados durante un período más largo, y luego empujados durante un período más largo). Como los electrones permanecen unidos a sus átomos en esta interacción, no pueden ser sacados del átomo por una excitación virtual. Por tanto, cuanto más lenta sea la frecuencia, más "virtual" debe ser la excitación y menos tiempo tienen los electrones para jugar con la luz.

¿Es útil esta información? Si es así, ¿hay alguna forma de hacerla más accesible? Sólo por curiosidad, ya que soy muy nuevo en SE.