Wie beschleunigt sich das Licht, nachdem es aus einer Glasplatte herausgekommen ist?

Wenn sich Licht in Glas oder einem anderen Medium ausbreitet, ist es nicht wirklich reines Licht. Wir nennen das (dazu später noch mehr) eine Quantenüberlagerung von angeregten Materiezuständen und reinen Photonen, und letztere bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit$c$.

Sie können sich für ein grobes geistiges Bild vorstellen, dass sich Licht durch ein Medium ausbreitet, so etwas wie ein Spiel chinesisches Flüstern. Ein Photon wird von einem der dielektrischen Moleküle absorbiert, also ist es für einen fantastisch flüchtigen Moment weg. Das absorbierende Molekül verweilt in der Größenordnung von$10^{-15}{\rm s}$im angeregten Zustand, emittiert dann ein neues Photon. Das neue Photon legt eine kurze Strecke zurück, bevor es absorbiert und erneut emittiert wird, und so wiederholt sich der Zyklus. Jeder Zyklus ist verlustfrei : Das emittierte Photon hat genau die gleiche Energie, den gleichen Impuls und die gleiche Phase wie das absorbierte. Wenn das Material nicht doppelbrechend ist, bleibt auch der Drehimpuls perfekt erhalten. Bei doppelbrechenden Medien übt der Photonenstrom ein kleines Drehmoment auf das Medium aus.

Freie Photonen reisen immer an$c$, niemals mit einer anderen Geschwindigkeit. Es ist die Tatsache, dass die Energie bei jedem absorbierten Zyklus eine kurze Zeit verbringt und somit effektiv stillsteht, was dazu führt, dass der Prozess eine Nettogeschwindigkeit von weniger als hat$c$.

Das Photon wird also beim Verlassen des Mediums nicht so sehr beschleunigt, sondern ersetzt.

Aber wie behält der Lichtstrahl seine Richtung bei? Nachdem es vom ersten Atom absorbiert wurde, wie weiß es später, wohin es wieder ein neues Photon schießen soll? Wo werden diese Informationen gespeichert?

Eine sehr gute Frage. Dies geschieht durch Impulserhaltung. Die Wechselwirkung ist so kurz, dass der Absorber mit nichts anderem wechselwirkt, also muss das emittierte Photon den gleichen Impuls tragen wie das einfallende. Beachten Sie auch, dass wir KEINE vollständige Absorption in dem Sinne sind, dass wir einen Übergang zwischen gebundenen Zuständen des Atoms erzwingen (was die für das Phänomen typischen scharfen spektralen Kerben ergibt), wovon David Richerby spricht. Es ist ein Übergang zwischen virtuellZustände - die Art von Dingen, die zum Beispiel die Zwei-Photonen-Absorption ermöglichen - und diese können im Wesentlichen überall sein, nicht auf den strengen, gebundenen Zustandsniveaus. Wie gesagt, dies ist eine grobe Analogie: Sie stammt von Richard Feynman und ist das Beste, was ich für einen Highschool-Schüler tun kann, der sich wahrscheinlich noch nie mit Quantensuperposition befasst hat. Die Absorption und freie Ausbreitung erfolgen in Quantenüberlagerung , nicht streng nacheinander, sodass keine Informationen verloren gehen, und wenn Sie die Überlagerung von freien Photonenzuständen und angeregten Materiezuständen aufschreiben, erhalten Sie etwas, das den Maxwell-Gleichungen entspricht (in dem von mir beschriebenen Sinne in meiner Antwort hier oder hier ) und die Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten fallen natürlich aus diesen heraus.

Eine andere Möglichkeit, meinen letzten Satz qualitativ auszudrücken, ist, dass der Absorber tatsächlich in jede Richtung emittieren kann, aber da sich das gesamte Los in Überlagerung befindet, ist die Amplitude dafür, dass dies in Überlagerung mit freien Photonen geschieht, sehr klein, es sei denn, die Emissionsrichtung stimmt genau mit der freien überein Photonenrichtung, da die Phasen der Amplituden der beiden Prozesse nur dann konstruktiv interferieren, wenn sie nahezu gleichphasig sind, dh die Emission in die gleiche Richtung wie das einfallende Licht erfolgt.

All dies steht im Gegensatz zur Fluoreszenz , bei der die Absorption viel länger anhält und sowohl Impuls als auch Energie auf das Medium übertragen werden, so dass es zu einer Verteilung der Ausbreitungsrichtungen kommt und die Wellenlänge verschoben wird.

Ein weiterer Kommentar:

Es gab ein Buch, in dem stand, dass die Masse des Photons zunimmt, wenn es in Glas eintritt ... Ich denke, dieses Buch war stark irreführend.

Wenn Sie vorsichtig sind, kann der Kommentar des Buches eine gewisse Gültigkeit haben. Wir sprechen von einer Überlagerung von Photonen- und angeregten Materiezuständen, wenn sich das Licht in der Platte ausbreitet, und diese Überlagerung kann tatsächlich so ausgelegt werden, dass sie eine Ruhemasse ungleich Null hat, weil sie sich bei weniger als ausbreitet$c$. Die freien Photonen selbst breiten sich immer bei aus$c$und haben immer null Ruhemasse. Sie berühren tatsächlich etwas ziemlich Kontroverses: Diese Ideen führen in die ungelöste Abraham-Minkowsky-Kontroverse .

Eine klassische Erklärung zur Ergänzung von Rods hervorragender quantenmechanischer Erklärung:

Wenn Sie eine Huygens-Konstruktion der Wellenausbreitung erstellen (ich nehme an, Sie wissen, wie das geht), wird jeder Punkt auf der Wellenfront als Quelle einer neuen Welle derselben Frequenz und Phase behandelt. Wie sich diese Welle ausbreitet, hängt von dem Medium ab, auf das sie trifft. Die an der Austrittsfläche des Glases erzeugten Huygens-Wavelets, die nur den leeren Raum vor sich "sehen", breiten sich also einfach mit der ihnen angemessenen Geschwindigkeit aus - so wie die Wavelets an der Eintrittsfläche ein Medium höherer Brechung sehen Index und damit langsamere Ausbreitung (und Brechung bei nicht senkrechtem Einfall), sodass diejenigen an der Austrittsfläche das Gegenteil sehen.

Was den "Wärmeverlust" betrifft - wenn es im Glas Verlustmechanismen gibt, werden Photonen absorbiert, aber es besteht immer eine (sehr kleine) Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon durchkommt - in der Praxis kann diese Wahrscheinlichkeit so gering werden, dass Sie davon ausgehen können, nein Licht wird erkannt, aber das ist nicht dasselbe wie zu sagen: "Kein Licht kann diese Platte durchdringen". Wahrscheinlichkeit vs. Gewissheit.

Ihre beiden Fragen basieren auf der irrigen Annahme, dass Licht Energie verliert, wenn es durch eine Glasplatte geht. Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit, die von der Dichte des Mediums abhängt. Wenn ein Lichtstrahl aus dem Vakuum (Luft) in Glas eindringt, passiert lediglich, dass die Welle verzögert wird (aufgrund der höheren Dichte benötigt sie für die gleiche Strecke mehr Zeit). Da v = d/t, wenn t größer wird, wird v kleiner (bei gleichem d). Das bedeutet, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in Glas verlangsamt wird. Sobald es das Glas passiert, ist die Verzögerung vorbei, sodass das Licht seine vorherige Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Luft wiedererlangt.
Obwohl es einen kleinen Verlust gibt, weil einige Photonen auf die "Kerne" der Glasmoleküle treffen, ist der Hauptverlust auf die "Ausbreitung" des Lichts zurückzuführen (kein kohärentes Licht). Mit dem richtigen Licht (kohärent) kann man "Meilen" von Glasfasern verwenden und trotzdem Licht am anderen Ende herauskommen lassen.