Wenn sich Licht in einem Medium wie Luft langsamer als c ausbreitet, was passiert dann mit der Art und Weise, wie die Photonen Zeit „erleben“? Es wird oft gesagt, dass ein Photon keine Zeit „erfährt“, da seine Gleichzeitigkeitsebene seine Weltlinie vollständig überlappt. Aber das passiert nicht, weil es ein Photon ist, sondern weil es sich mit c fortbewegt . Wenn sich Photonen mit subluminaler Geschwindigkeit fortbewegen, bedeutet das dann, dass sie Zeit „erfahren“? Was passiert außerdem mit der (Ruhe-)Masse eines subluminalen Photons? Hat es eine Art effektive Masse?
Photonen sind masselose Elementarteilchen im Sinne des Standardmodells und bewegen sich im Vakuum, lokal gemessen, immer mit der Geschwindigkeit c.
Nun gibt es auf dieser Seite zwei Möglichkeiten zu erklären/interpretieren, warum die Lichtgeschwindigkeit selbst langsamer als c in einem Medium ist und einzelne Photonen sich immer mit der Geschwindigkeit c bewegen, wenn sie lokal gemessen werden:
1.
Nun, in einem Medium bewegt sich das Licht selbst zwar mit einer Geschwindigkeit von weniger als c, aber die einzelnen Photonen selbst bewegen sich immer noch mit der Geschwindigkeit c zwischen den Atomen im Vakuum.
Das einfachste Bild ist, dass sich Licht immer mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt. Aber in einem Material bewegt es sich mit Lichtgeschwindigkeit, bis es auf ein Atom trifft. Es wird dann absorbiert und in die gleiche Richtung wieder emittiert, was nur wenig Zeit in Anspruch nimmt. Je häufiger dies geschieht, desto langsamer wird die effektive Durchschnittsgeschwindigkeit. Je dichter das Material, desto mehr Atome sind im Weg.
Warum bewegt sich das Licht in dichteren Medien langsamer?
Es ist die Wellenfront, die sich tatsächlich mit Geschwindigkeiten kleiner als c im Vakuum fortbewegt.
Vielleicht hilft eine Antwort von mir, dies zu verstehen:
Die einzelnen Photonen bewegen sich also mit der Geschwindigkeit c zwischen den Atomen / Molekülen und interagieren mit ihnen, und diese Wechselwirkung braucht Zeit, und deshalb verlangsamt sich die klassische Wellenfront, und dies ist proportional zur Dichte des Mediums, weil mehr Atome vorhanden sind /Moleküle zu interagieren, desto länger dauert es.
2.
Licht selbst, das sich durch ein Medium ausbreitet, sollte nicht getrennt von der Materie/dem Medium behandelt werden, durch das es sich bewegt.
Licht breitet sich immer mit einer (lokalen) Geschwindigkeit von c aus, aber Licht in einem Medium ist nicht einfach Licht, und deshalb kann seine Geschwindigkeit kleiner als c sein. Licht ist ein oszillierendes elektromagnetisches Feld, und wenn es irgendetwas passiert, das geladene Teilchen enthält (dh jede Materie, die aus Elektronen und Protonen besteht), interagiert das elektrische Feld des Lichts mit diesen Ladungen. Wenn das Licht mit den Ladungen wechselwirkt, müssen wir das Licht/Materie-System durch eine neue Wellenfunktion beschreiben, die alle wechselwirkenden Komponenten enthält. Das Licht ist also nicht mehr reines Licht – wir haben ein Quantensystem, das das Licht mit den geladenen Teilchen vermischt. Dieses Mischen erzeugt ein Quasiteilchen namens Polariton, das ein Teilchen mit einer Masse ungleich Null hat, sodass es sich mit weniger als Lichtgeschwindigkeit bewegt.
Kann Lichtgeschwindigkeit sein in Luft oder anderem Medium?
Die Antwort auf Ihre Frage ist also, dass wir ein Quantensystem haben werden, das Photonen und die Teilchen der Materie/des Mediums umfasst, mit einer neuen Wellenfunktion, die beides beschreibt.
Ruslan