Warum bewegt sich Licht im Wasser langsamer als im Vakuum?

Du sagst:

Und in der Tat ist Wasser transparent, also gibt es eigentlich keine Wechselwirkung zwischen den Photonen und den Wassermolekülen

aber das ist nicht wahr. Wasser ist transparent, weil bei der Wechselwirkung zwischen Licht und Wasser keine Energie dissipiert wird. Objekte, die Licht absorbieren, nehmen Energie aus dem Licht auf und wandeln sie in andere Formen wie molekulare Schwingungsenergie (zB Wärme) um.

Auf die Gefahr hin, dass es zu stark vereinfacht wird, interagiert das Licht in einem transparenten Medium mit Elektronen im Medium, weil es sie dazu bringt, mit der gleichen Frequenz wie das Licht zu schwingen. Allerdings geben die schwingenden Elektronen dann die Energie an das Licht zurück, jedoch mit einer kleinen Phasenverschiebung. Es ist diese Phasenverschiebung, die die Lichtgeschwindigkeit verändert. Da aber die Nettoenergie des Lichts unverändert bleibt, bleibt das Medium transparent.

Lassen Sie uns zunächst unterscheiden, dass sich Ihre Frage auf die Quantenmechanik bezieht. Klassisch,$\epsilon$Und$\mu$sind Funktionen des Materials und die Maxwell-Gleichungen erzeugen eine Wellengleichung mit Geschwindigkeit$\frac{1}{\sqrt{\epsilon \mu}}$.

In der QED ist der einfachste Weg, eine Vorstellung davon zu bekommen, was vor sich geht, Feynmans Bild der Quantenmechanik zu verwenden. Feynman sagt, dass man, um die Bewegung des Photons zu verstehen, alle möglichen Bahnen für das Teilchen berücksichtigen muss, einschließlich derjenigen, die mit seiner Absorption enden.

Die Interferenz zwischen den Ergebnissen, bei denen das Photon vom Medium absorbiert wird (oder eine andere Wechselwirkung hat), verlangsamt seine Flugbahn. Ich bin kein kompetenter Feldtheoretiker, um dies explizit zu zeigen. Vielleicht haben wir Glück und jemand anderes tut es.

Wenn ein Elektron mit etwas interagiert, geschieht dies aufgrund der elektromagnetischen Kraft. Ein Photon hat aufgrund dieser Kraft das Potenzial, mit einem Elektron zu interagieren. Das Elektron behält diese Kraft bei, egal in was es sich befindet. Das heißt, ein Elektron in Wasser übt die gleiche Kraft auf ein Photon aus wie jedes andere Elektron.