¿Por qué la velocidad de la luz varía entre diferentes medios?

Solo un pequeño comentario sobre la aparente discrepancia entre las buenas respuestas de Jacob y Edward. Ambas son correctas, solo miran la situación desde diferentes teorías.

Edward responde la pregunta en el contexto del electromagnetismo clásico (como se describe en las ecuaciones de Maxwell). En esta configuración, la luz es una onda electromagnética y los fenómenos dispersivos extraños (así como la refracción y similares) harán que la velocidad de grupo de la onda sea menor que c, a pesar de que la velocidad de fase sigue siendo exactamente c en todas partes de la onda. (Creo que esto es correcto, por favor comente si estoy diciendo algo que está mal. ¿Está relacionado con la idea de que el camino que toma la luz zigzaguea … eso me parece una refracción repetida).

Jacob responde la pregunta en el contexto de la electrodinámica cuántica, donde la luz se considera un flujo de partículas llamadas fotones. Cada fotón representa una excitación cuántica del campo electromagnético. Los fotones, al ser partículas, pueden ser absorbidos y emitidos. Cuando no están ocupados siendo absorbidos o admitidos, los fotones siempre se mueven a la velocidad c. Sin embargo, como dice Jacob, en un material hay muchos átomos flotando ansiosos por absorber algunos fotones y luego enviarlos de nuevo a su estado fundamental. Este proceso, absorción y emisión, lleva tiempo y es lo que parece reducir la velocidad de la luz.

Hay (más o menos) campo estático dentro de un material, formado por los electrones y mantenido por los núcleos. El fotón, como una masa sin carga, seguirá el camino de menor resistencia y seguirá las líneas geodésicas del campo. A medida que los fotones interactúan con la materia, hay una especie de camino de menor resistencia, un camino donde la diferencia de intensidad de campo a lo largo del camino = 0. Esa línea es, en nuestro marco de referencia, un poco más larga que la línea ‘recta’. Imagine que el material se construye a partir de la esfera perfecta, por lo que la geodésica es una línea en la esfera. La ruta en la esfera es -en un plano- pi / 2 veces más larga (la ruta es pi * D / 2) y sobre un volumen pi. Entonces, el índice de refracción debe variar entre aproximadamente 1.5 y 3.14 en promedio para materiales densos. El hecho de que los átomos no estén generando un campo electrostático esférico ‘agradable’, sino también campos elípticos, hace que las longitudes de las rutas puedan aumentar hasta 2 * pi o un índice de refracción de 6.28.

Use materiales menos densos, gel y el índice puede caer cerca de 1 ya que el camino seguido contiene menos desvíos. Utilizando materiales compuestos de muchos cristales separados (como en el diamante) o amorf parcialmente organizado (vidrio de sílex), el campo puede ser de configuración compleja, causando muchos desvíos, dando un alto índice de refracción (y dispersión del haz de EM)

El hecho de que el fotón no tenga masa hace que obedezca las ‘leyes’ de Newton F = ma Esa propiedad de masa de la materia (es la inercia) causa un retraso de tiempo que está ausente para los fotones. Los fotones pueden ser absorbidos y emitidos en el mismo instante de tiempo (con una resolución de un tiempo de Planck) sin causar demoras.

La velocidad de la luz a través de otro medio es menor que la del vacío, pero sigue siendo constante dentro de un medio isotrópico.

En caso de que haya oído hablar de la radiación de Cerenkov, o de cualquier tipo de efectos superluminales, que se administran como casos de luz (o más generalmente radiación electromagnética) que viaja en un medio a velocidades mayores que c , esto se refiere a la velocidad de fase, la velocidad a que cualquier fase fija del ciclo se desplaza. Vea el componente que se muestra en azul en el diagrama a continuación. Por ejemplo, la velocidad de fase de los rayos X a través de la mayoría de las gafas puede exceder c.

Sin embargo, es la velocidad de grupo (con la cual se propaga la forma general de la amplitud de la onda, es decir, la envoltura de la onda que se muestra en verde en el diagrama), no la velocidad de fase que determina la velocidad a la que una onda transmite información.

Este es un blog decepcionante. Aunque soy un bioquímico y no estoy calificado para responder la pregunta, incluso sé que la absorción y la emisión son cuantiles y no pueden abarcar todas las longitudes de onda, incluso suponiendo que la reemisión podría ser direccional.

Si bien algunas publicaciones hacen lo que parecen ser puntos válidos, solo unas pocas describen la interacción luz / materia que disminuye la velocidad de la luz (aparente) de una manera que evita la idea de absorción y reemisión.

Clint Law (con créditos a Griffiths “Introducción a la Electrodinámica”, Tercera edición)

Eric Pepke

Edward Claro Mader

El comentario de Victor Toth parece válido, pero empleó el término “rebotes” que ciertamente implica un cambio direccional aleatorio. Quizás dada la longitud (no el ancho) de un fotón, las interacciones electromagnéticas entre la luz y la materia se promedian.

Estoy abierto a la idea de que la física usa los términos absorción y emisión en un sentido más amplio que la mayoría de los científicos; Sin embargo, es increíblemente confuso. Si estoy realmente fuera de lugar aquí, avíseme y eliminaré la publicación.

En el vacío, los fotones no interactúan con otras partículas de campo. En un medio, el fotón es absorbido y reemitido por partículas cargadas que lleva tiempo. Este es un viejo enfoque sobre el fotón y la partícula cargada de que no todo es historia. Un nuevo experimento muestra que la probabilidad de absorción en cada momento depende de la forma del fotón, también los fotones tienen unos 4 metros de largo, lo que es incompatible con el concepto no estructurado.

“El experimento y la teoría implican que los campos ilimitados, no las partículas limitadas, son fundamentales. Hay argumentos abrumadores para concluir que todos los componentes fundamentales de la física cuántica son campos en lugar de partículas ”.

Esta es la interpretación del comportamiento de los componentes fundamentales, no la descripción de sus campos. Entonces, surge esta pregunta, ¿de qué están compuestos los campos? En la teoría CPH, la energía es densa en el campo y la partícula es energía intensiva que ha revisado y analizado. En la teoría CPH, un fotón real está formado por un fotón virtual positivo y un fotón virtual negativo. Entonces, el fotón es un dipolo eléctrico muy débil que es consistente con la experiencia y se afirman estos artículos. Además, esta propiedad del fotón (dipolo eléctrico muy débil) puede describir la energía de absorción y emisión por partículas cargadas.

Por lo tanto, además de la absorción y emisión de fotones en el medio, es necesario considerar la interacción entre el fotón (que tiene tamaño y forma) y las partículas en el medio (que tienen campos a su alrededor). Como resultado, la mayor densidad de las partículas en el medio, es menor la velocidad de la luz. Incluso la absorción y emisión en el aire no puede ser decisiva (ya que la densidad de partículas es muy baja), la acción de campo juega un papel importante. Por lo tanto, la atención a la estructura de las partículas y la electrodinámica sub cuántica es muy útil para comprender la velocidad de la luz en diferentes medios.

Además, en general, un fotón está compuesto de energías sub cuánticas (SQEs), la cantidad de la velocidad lineal de SQE depende de la interacción entre SQE y las otras partículas (o campos) en el medio. Entonces, en el vacío, el fotón (luz) no tiene interacción con otras partículas o campos fuera de la estructura del fotón (suponga que el efecto gravitacional del vacío es insignificante), por lo tanto, la velocidad lineal de los SQE en la estructura de los fotones es constante y igual a v (SQE) = c. Además, la velocidad lineal de los fotones virtuales en el vacío es la misma cantidad de c . Por lo tanto, la velocidad lineal del fotón depende de las condiciones medias. Pero la cantidad total de velocidad de transmisión y velocidad de no transmisión del fotón es constante y es igual a v (luz), al cambiar las condiciones medias, como el fotón entra al agua, una parte de su velocidad lineal se convierte en no lineal velocidad y en este caso tenemos v (luz)

Lee mas:

https://www.quora.com/What-principle-can-potentially-substitute-4-fundamental-forces-in-physics-Is-it-the-principle-of-least-action/answer/Hossein-Javadi- 1? Srid = F7rA

La respuesta de Hossein Javadi a ¿Sabemos por qué hay un límite de velocidad en nuestro universo?

A medida que la luz viaja a través de diferentes materiales, se dispersa de las moléculas en el material y se ralentiza. El índice de refracción describe la cantidad en que la luz disminuye en un material dado. El índice de refracción de un material se define por la velocidad de la luz en el vacío c dividida por la velocidad de la luz a través del material v:

Supongamos que el índice de refracción del vidrio utilizado es 1.5 y la luz es luz blanca normal. En este caso, la luz viaja en vidrio a aproximadamente el 75 por ciento de la velocidad de la luz en el vacío.

A medida que se mueve el cubo de vidrio, la luz nos parece que se mueve más rápido si se propaga en la dirección del movimiento y que se mueve más lentamente si la luz se propaga de frente contra el cubo de vidrio, de acuerdo con nuestra experiencia normal de movimiento en cuadros en movimiento. Cuando digo “más rápido” quiero decir más rápido que el 75% de la velocidad de la luz, que sería la velocidad si el cubo de vidrio estuviera en reposo. El cubo de cristal en movimiento literalmente “arrastra” la luz.

El experimento de Fizeau fue llevado a cabo por Fizeau en 1851 para medir las velocidades relativas de la luz en el agua en movimiento. Fizeau utilizó una disposición especial de interferómetro para medir el efecto del movimiento de un medio sobre la velocidad de la luz. Experimento Fizeau

En otras palabras, la luz que viaja a través de un medio en movimiento sería arrastrada por el medio, de modo que la velocidad medida de la luz sería una simple suma de su velocidad a través del medio más la velocidad del medio.

Ok, Clint … Cuando un fotón ingresa dentro de un material (como el agua o el aire), hay muchos átomos y moléculas en su camino y muchas cosas suceden cuando un fotón y un átomo (o molécula) “chocan”.

En el átomo, hay muchos electrones e interactúan con el fotón (bueno, depende de la longitud de onda del fotón si es un rayo gamma, puede interactuar con el núcleo en lugar de los electrones, pero esta es otra historia … )

Luego considere que un fotón de luz visible interactúa con un electrón. El electrón absorbe la energía de ese fotón y “salta” a una órbita alta.

Los electrones orbitan alrededor del núcleo con una energía, pero ninguna órbita puede ser una órbita “válida” para el átomo. Solo se pueden permitir unas pocas órbitas (cientos, no millones), cualquier otra órbita está prohibida.

Ok, el electrón absorbe la energía del fotón y “salta” a otra órbita. Si la energía de ese fotón permite que el electrón alcance EXACTAMENTE una órbita alta permitida, el electrón permanece en la órbita superior y el fotón será absorbido.

Si el electrón salta a una órbita prohibida, el electrón “escupe” el fotón y baja a la órbita original.

Si el material tiene moléculas, es un poco complejo. Imagina la molécula como bolas unidas por resortes. Los átomos en la molécula están surgiendo, pero al igual que las órbitas con los electrones, hay un permiso y modos de salto prohibidos.

El fotón puede ser absorbido para promover un electrón a una órbita más alta o puede ser absorbido para promover un salto alto. Por ejemplo, el microondas emite fotones en una frecuencia bien conocida (2.4 Gigahercios) que excitan la unión entre Hidrógeno y Oxígeno (la unión se volvió más y más). Eso es porque el microondas solo calienta la comida y no el plato. La comida contiene agua y el plato no. Y comida con más agua, menos tiempo para calentarse … menos agua, más tiempo para calentarse.

El fotón puede ser absorbido o promover el electrón a una órbita más alta permitida (o la molécula a un estado de resorte más alto), pero de hecho se permite la órbita o el estado de resorte, el electrón / molécula no se siente cómodo en ese estado y hay un estado con una energía más baja más “atractivo”. Entonces, el electrón / molécula puede bajar a ese estado “escupir” un fotón para emitir el exceso de energía. Entonces la luz cambia la frecuencia “mágicamente” en el viaje a través del material.

Pueden pasar muchas cosas.

Los fotones absorbidos dan “color” al material, los fotones “escupidos” pasan a través del material. Pero el electrón necesita un tiempo para absorber el fotón y escupirlo nuevamente. Esto se debe a que la luz parece ser más lenta pasando a través de un material que el vacío. De hecho, los fotones se mueven a la misma velocidad que el vacío.

Una pregunta interesante es la dirección del “asador”. Normalmente los electrones escupen el fotón en la dirección original (entonces, no se puede distinguir entre el fotón original y el escupido, ambos en la misma dirección, con la misma velocidad y con la misma frecuencia / energía).

Pero en algunos fotones, la dirección puede variar en un ángulo. Ese es el caso del agua o el aire. La probabilidad de tomar un ángulo disperso más ancho o estrecho depende de la frecuencia. Por ejemplo, en el aire y en el agua, la probabilidad de tomar un ángulo disperso más amplio es mayor en frecuencias más altas. Luego, el color azul se dispersa en un ángulo más amplio que el color rojo. Luego, cuando miro al cielo (o al mar) veo el color azul porque está disperso en un ángulo más amplio. Solo al amanecer o al atardecer, cuando el sol está bajo, la luz viaja muy lejos en el aire. Todo el color azul se ha dispersado en el viaje y solo tiene el color rojo (la dispersión en ese color ha sido más baja y luego puede viajar a través de una distancia más larga en el aire).