Welche dieser Theorien darüber, warum sich Licht in Medien verlangsamt, sind wahr?

Von den gegebenen Möglichkeiten würde ich Erklärung Nr. 2 bevorzugen. Es erfordert keine Quantenphysik; Das Modellieren von Atomen als Kugel-Feder-Systeme funktioniert ziemlich gut. In seinem berühmten Lehrbuch für Studenten macht Griffiths dies, und wenn Sie etwas Mathe-Training haben, wäre dies ein guter Ort, um die Details zu erfahren. Ich denke, Nr. 5/Nr. 6 sind wohl auch richtig, wenn Sie das Problem aus einer QFT-Perspektive behandeln und an virtuelle Absorptions- / Emissionsprozesse denken. Aber das ist vielleicht nicht sehr erhellend.

Wie Sie haben mich die Erklärungen auf der Ebene einzelner Atome nicht wirklich interessiert. Ich denke, ich kann eine etwas befriedigendere Erklärung geben, obwohl ich betone, dass sie letztendlich identisch ist:

Die durch das Medium laufende Welle ist keine reine elektromagnetische Welle, in dem Sinne, dass es nicht nur das elektromagnetische Feld ist, das wellt. Vielmehr ist es eine Hybridisierung dieses Feldes und der mechanischen, wackelnden Welle der Atome selbst. Nochmals, für unsere Zwecke gibt es an diesen Atomen nichts Quantenhaftes. Sie sind feste Kerne, die durch kleine Federn an Elektronen befestigt sind, die auf und ab gedrückt und von den EM-Wellen herumgeschleudert werden können.

Sowohl das EM-Feld als auch das Feld der Atome kann man sich als Federfelder vorstellen, wie eine große Matratze, so dass das Drücken auf einen Teil Wellen zum anderen Teil auslöst. Da die Felder gekoppelt sind, ist es in diesem Fall so, als hätten Sie zwei dieser Felder fast übereinander gelegt, mit kleinen Schnüren, die sie verbinden. Wenn Sie in einem eine Welle erzeugen, wird sie sich in diesem Feld sowohl nach außen ausbreiten als auch induzieren in der anderen plätschert. Hier ist ein netter Blogbeitrag, der, obwohl das physikalische System anders ist, von der gleichen Idee spricht – das Finden der genauen Entsprechung bleibt als Übung übrig :).

Konzeptionell können wir uns in diesem Bereich auf einen Punkt konzentrieren, wo wir zwei Federn aneinander gebunden haben und auf die wir drücken. Wenn sie unabhängig sind, haben diese Federn unterschiedliche Steifigkeiten und schwingen daher natürlich mit unterschiedlichen Frequenzen. Wir wollen wissen, was passiert, wenn sie zusammengebunden werden. Dies ist der Teil, den ich Ihnen hier nicht beweisen werde, aber es stellt sich heraus, dass sie bei dieser Frequenz zusammen schwingen, aber wenn Sie die Antriebsfrequenz als fest nehmenmit einer Phasenverzögerung aufgrund der Zeit, die eine Feder benötigt, um auf die andere zu reagieren. Diese Verzögerung ist das Wichtigste, was Sie in Nr. 2 vermisst haben, von dem Sie dachten, dass es Quanteneffekte sein müssten. Seine Größe hängt sowohl von den Eigenfrequenzen der Federn als auch davon ab, wie stark sie gekoppelt sind. Wenn Sie sich die vollen Felder ansehen, führt dies zu einer Anregung, die eine Kombination aus dem EM-Feld und den Atomen ist, die sich im Inneren des Materials reibungslos zusammenkräuseln, und die sich mit einer langsameren Geschwindigkeit ausbreitet, als die EM-Feldwelle allein würde.

Im Falle von Licht, das durch die meisten transparenten Materialien wandert, ist die Kopplung so schwach, dass die kollektive Anregung neben der Geschwindigkeitsänderung fast ihre gesamte „Photonenheit“ behält, also nennen wir es ein Photon sowohl innerhalb als auch außerhalb des Materials. Einige Medien koppeln jedoch Licht so stark, dass die kollektive Anregung ganz anders ist als bei einem Photon im Vakuum. Diese Erregungen haben lustige Namen wie "Polaritonen", und es gibt eine immense Menge an Forschung, um sie zu klassifizieren und mit all ihren Möglichkeiten zu spielen.

Nach längerer Suche habe ich die Antwort auf meine Frage gefunden! :D

Unten ist eine Zusammenfassung der Informationen, die ich gefunden habe. Es gibt keine bestimmte Webseite, auf die ich verlinken kann, weil ich mich auf Quellen verlassen habe, die andere Quellen zitiert haben, die nicht mehr existieren, aber vielleicht können diese Informationen eines Tages für jemand anderen nützlich sein. Das meiste, was ich gelernt habe, stammt von Professor Lou Bloomfield, der derzeit Physik an der University of Virginia lehrt.

BEARBEITEN : Nichts davon ist zitiertes Material: Alle unten geposteten Informationen wurden komplett neu formuliert, und die Analogien (abgesehen von der Gitarrensaite) stammen von mir.

Wenn sie von normaler Materie umgeben sind, bringt das elektrische Feld einer Lichtwelle Elektronen dazu, mit einer Rate zu wackeln, die der Frequenz der Lichtwelle entspricht: Die elektrische Komponente der Lichtwelle zieht abwechselnd geladene Teilchen an und stößt sie ab.

Wenn Elektronen in einem für eine bestimmte Frequenz transparenten Material durch eine Lichtwelle dieser Frequenz angeregt werden, entzieht dies der Lichtwelle Energie. Aber überraschenderweise werden keine Photonen absorbiert: Da das Material für die Frequenz der Welle transparent ist, gibt es kein höheres Orbital, das genau dem Energieniveau entspricht, das ein einzelnes Photon einem Elektron verleihen würde. Dies bedeutet, dass die Energieübertragung keine echte Teilchenwechselwirkung beinhalten kann.

Was passiert also? Anstatt ein oder mehrere Photonen zu absorbieren, treten die Elektronen in einen virtuellen Quantenzustand ein: eine vorübergehende Anregung, die nicht genau einem der Zustände entspricht, die das Elektron einnehmen kann. Dies ist sehr ähnlich wie das Vibrieren einer Gitarrensaite, indem der Ton auf die Saite gerichtet wird. Wenn der Ton, den Sie auf die Saite richten, mit einer Frequenz übereinstimmt, mit der die Saite schwingen kann, wird die Saite zum Schwingen gebracht. Wenn der Ton, den Sie verwenden, die falsche Frequenz hat, wackelt die Saite ein wenig, als würde sie versuchen zu vibrieren, und hört dann auf, wenn der Ton vorbei ist. Das passiert mit den Elektronen: Sie leihen sich Energie von der Lichtwelle, wackeln ein wenig und geben die Energie dann zurück.

Ein virtueller Quantenzustand hat eine sehr begrenzte Dauer und zählt nicht als Teilchenwechselwirkung. Die Lichtwelle und das Elektron bleiben unverschränkt und wirken weiterhin als Wahrscheinlichkeitswellen. Das Elektron kann nur kurz mit der Energie der Lichtwelle spielen, bevor es sie zurückgibt. Die Eigenschaften der Lichtwelle bleiben unverändert, da es keine echte Teilchenwechselwirkung gab. Das Licht prallt also weder von Atomen ab, noch wird es im üblichen Sinne von den damit spielenden Elektronen emittiert.

Obwohl die Wechselwirkungen alle virtuell sind, sind Elektronen Materie und sie brauchen Zeit, um zu wackeln. Da dies immer und immer wieder geschieht, verlangsamt es das Fortschreiten der Welle.

Man könnte sich das wie eine Art Reibung vorstellen, die dem Fortschreiten der Welle entgegenwirkt. Stellen Sie sich ein Auto vor, dessen Räder sich mit konstanter Geschwindigkeit drehen, und stellen Sie sich vor, es trifft auf eine Reihe großer Unebenheiten, die es leicht verlangsamen. Der Tachometer basiert auf der Raddrehung, er würde also anzeigen, dass das Auto überhaupt keine Geschwindigkeitsänderung vorgenommen hat: Es ist genauso schnell wie auf ebenem Gelände. Das Auto wird jedoch weniger Boden pro Zeitintervall zurücklegen, da ein Teil der Raddrehung verwendet wird, um die Buckel zu überwinden. Diese Höcker ähneln dem Vorgang, bei dem Elektronen vorübergehend Energie von der Lichtwelle ausleihen.

Ist die Lichtwelle also wirklich verlangsamt, oder bewegt sich das Licht immer noch bei c und nur seine Fortbewegung wird verlangsamt? Dies ist eigentlich keine wohlgeformte Frage, und für alle praktischen Zwecke spielt die Antwort keine Rolle. Ich finde es jedoch einfacher, darüber nachzudenken, dass es den Fortschritt der Welle verlangsamt. Dies bedeutet, dass die Eigenschaft "Licht bewegt sich mit Geschwindigkeit c in allen Referenzrahmen" immer noch gilt, was es mir viel einfacher macht, über relativistische Effekte nachzudenken.

Außerdem habe ich mich geirrt, dass verschiedene Frequenzen um den gleichen Betrag verlangsamt werden: Niedrigere Frequenzen werden weniger verlangsamt als höhere Frequenzen. Wenn die Frequenz niedriger ist, müssen die Elektronen, obwohl die Welle weniger Energie hat, über einen größeren Bereich wackeln (sie werden länger gezogen und dann länger gedrückt). Da die Elektronen bei dieser Wechselwirkung an ihre Atome gebunden bleiben, können sie nicht durch eine virtuelle Anregung aus dem Atom herausgezogen werden. Je langsamer also die Frequenz ist, desto "virtueller" muss die Anregung sein und desto weniger Zeit haben die Elektronen, um mit dem Licht zu spielen.

Sind diese Informationen nützlich? Wenn ja, gibt es eine Möglichkeit, es zugänglicher zu machen? Nur neugierig, da ich sehr neu in SE bin.