Pentru a putea publica, trebuie să vă înregistraţi.
Vf. folderul Spam după înregistrare.
Pune o întrebare

Newsletter


3.6k intrebari

6.7k raspunsuri

15.3k comentarii

2.5k utilizatori

0 plusuri 0 minusuri
911 vizualizari

     Să ne imaginăm că un foton călătorește prin vid. Teoria Relativității arată că din orice sistem de coordonate spațio-temporale s-ar măsura, toți observatorii ar agrea că viteza acestuia este c.

     Într-o zonă pe traiectoria luminii se află un vas transparent cu apă, idealizat ca având coeficientul de reflexie nul.  Fotonul intră în acest nou mediu, suferă o refracție după care iese din vas, din nou, în vid. Știm că la trecerea prin apă fotonul este încetinit la o viteză egală cu 0,75c.

     Ce viteză va avea după ce părăsește vasul cu apă?

Newton ar fi spus că particula de lumină (el a considerat lumina ca având natură corpusculară) își păstreaza starea de mișcare, atâta timp cât o cauză exterioară nu i-o modifică, deci va continua cu viteza v=0,75c.

Pe de altă parte, ecuațiile lui Maxwell stabilesc  valoarea c (în notația de mai târziu a lui Einstein) a vitezei luminii în vid independent de satisfacerea unor condiții inițiale. Maxwell a unificat electricitatea cu magnetismul și a arătat  că lumina are natură ondulatorie.

Plank a stabilit că ea se transmite în pachete iar fizica cuantică a introdus mai târziu conceptul de undă-particulă. În cazul luminii, ea se comportă ca o undă când se propagă prin vid și mai mult ca o particulă la interactiunea cu diverse materiale (vezi efectul fotoelectric).

Așadar, cum arată, calitativ și cantitativ fenomenul descris?

Voi aprecia răspunsurile care nu se vor limita la căteva formule seci ci vor analiza fenomenul din punct de vedere fizic, cu referire la legi și principii fundamentale ale fizicii, din care au fost derivate acele formule, foarte utile de altfel. De exemplu, ce se conservă? Ce nu? 

Variante de raspuns:
v=0,75c (0 voturi)
v=c (5 voturi, 100%)
Senior (6.6k puncte) in categoria Fizica
editat de
0 0
Sa ma "esplic", daca respectivul foton "reuseste" sa scape din aceasta "capcana" el va avaea aceasi viteza ca "fratii lui " in vid.Ar fi "interesant" , de intrebat, ce viteza are fotonul "la granita"?

2 Raspunsuri

0 plusuri 0 minusuri

Rasunsul la intrebarea simpla din titlu este ca viteza luminii in vid este bineinteles c. Nu conteaza prin ce a trecut lumina inainte de a se propaga prin vid.

 

Insa mecanismul propagarii prin mediu nu este asa simplu. In special afirmatia:

"Știm că la trecerea prin apă fotonul este încetinit la o viteză egală cu 0,75c."

nu este tocmai riguroasa.

Propagarea luminii printr-un mediu este mai complicata. O "incetinire" a fotonilor nu este o descriere buna a ceea ce se intampla. Nu sant atat de familiar cu QED (Electrodinamica cuantica) ca sa explic fenomenul in termeni intuitivi. Mecanismul va depinde si de tipul de mediu. Un posibil model este cel in care se formeaza particule numite polaritoni din interactia fotonului cu excitatii ale retelei cristaline (fononi).  

Poate ar fi mai util sa incerci sa intelegi fenomenul mai inatai in termeni de unde interactionand cu moleculele din materie. Nu e nevoie de fotoni pentru a intelege de ce viteza de grup scade la propagarea undei prin materie. Feynman explica indicele de refractie al gazelor in volumul 1 din cursul lui in 3 volume. (Fizica Moderna).

 

Poti incerca si cartea lui Feynman despre QED (Strania teorie despre lumina si materie) daca te pasioneaza fotonii. A fost tradusa si in romaneste.

 

Junior (871 puncte)
0 0
Mulțumesc pentru răspuns.

Poate că termenul "încetinire" e vag dacă mi-aș fi propus să inițiez o discuție despre polaritoni și fononi sau alte lucruri foarte avansate care cu greu ar putea constitui subiecte pe acest forum.

Că viteza luminii este mai mică în diferite medii decît în vid este, pe de altă parte, cunoscut de la nivel liceal, odată cu introducerea primelor noțiuni de optică. Fără a apela la paricule virtuale sau la alte concepte aproape ezoterice ci, de la un nivel maxim de, să zicem, cursurile de fizică predate la Politehnică, fenomenele pot fi explicate și înțelese. De exemplu, cum crește la loc viteza luminii când intră iar în vid? Din senin? Mie nu mi se pare banal acest lucru.

Vă rugasem să-mi indicați unde pot găsi ceva despre vreo convenție care obligă ca o fracție de tipul a/b/c să fie citită ca (a/b)/c. Poate să fie și netradus în românește.
0 0
Doar legat de a/b/c: așa cum a-b-c înseamnă (a-b)-c, adică operațiile se fac în ordinea scrierii, tot așa a/b/c înseamnă (a/b)/c.
0 0
@AdiJapan. Ce simplu era :)
0 plusuri 0 minusuri
Observ din nou că lumea preferă să gîndească lumina ca fiind formată din fotoni. O fi mai comod, dar atunci cînd vorbim de propagarea luminii ea nu se compune din fotoni, ci e o undă și are toate proprietățile unei unde și nici o proprietate de particulă. Doar cînd vorbim de emisie și absorbție se justifică abordarea corpusculară.

Dacă la ieșirea din apă vă miră reîntoarcerea la viteza c, de ce nu vă miră în aceeași măsură și reducerea vitezei la intrarea în apă? Este exact la fel de nebanală.

Propagarea luminii într-un mediu se poate înțelege ca o succesiune de absorbții și reemisii. Așa se explică atît viteza mai mică decît în vid, cît și dependența vitezei de frecvență (dispersia).

Două observații mărunte: 1. Nu spunem indice de reflexie, ci coeficient de reflexie. Indicele de reflexie, definit în mod analog cu indicele de refracție, ar fi întotdeauna 1 (sau -1), deci ar fi o noțiune inutilă. 2. La ieșirea din apă lumina suferă o refracție, nu o difracție.
Expert (12.8k puncte)
0 0

Mulțumesc pentru observații. Voi corecta scăpările.

Viteza luminii depinde aici de lungimea de undă, nu de frecvență, deoarece frecvența rămâne constantă la traversarea mediului mai dens. Pentru ca ea să rămână constantă, adică raportul viteză/lungime de undă să rămână constant, se modifică proporțional și viteza și lungimea de undă (scad amîndouă).

Nemodificarea frecvenței e o consecință a conservării energiei. Pe de altă parte, modificarea lungimii de undă semnifică neconservarea impulsului.

Am luat în considerare un sistem format dintr-un singur foton pentru a pune în evidență că, fiind o cuantă de energie indivizibilă, viteza și lungimea de undă trebuie să se modifice iar frecvența trebuie să rămănă constantă. Altfel, la intrare și la ieșire vorbim de doi fotoni diferiți.

0 0
Dacă la nivel intuitiv nu mă miră că viteza luminii scade la intrarea într-un mediu mai dens (ceva i se opune), e nevoie de o explicație dincolo de intuiție pentru a înțelege ce o accelerează la reintrarea în vid. De aceea întrebarea mea cere lămuriri nu cu privire la fenomenele din mediul mai dens ci de ce se întâmplă ceea ce se întâmplă după ce părăsește ecest mediu.
0 0

Dispersia se definește mai bine ca variația vitezei cu frecvența, și nu cu lungimea de undă, tocmai pentru că frecvența e un parametru fix, la care nu trebuie să mai precizezi în ce mediu o consideri. De exemplu, cînd spunem că lumina galbenă are lungimea de undă de 590 nm sîntem nevoiți să precizăm sau să deducem din context ori din convenție că e vorba de lungimea de undă în vid (sau în aer, cu aproximație). În sticlă aceeași lumină galbenă are o lungime de undă foarte diferită, egală cu a luminii violete în vid. Nu e greșit să spunem nici că viteza într-un mediu depinde de lungimea de undă, dar subînțelegem că e vorba de lungimea de undă în vid. E straniu să vorbim de lungimea de undă a luminii într-un material exprimînd-o totuși cu valoarea ei în vid. Dar ne-am obișnuit așa pentru că lungimea de undă e ceva mai palpabilă, mai intuitivă, decît frecvența.

Nu conservarea energiei e responsabilă de caracterul constant al frecvenței. Frecvența e constantă și în mediile care absorb lumina, deci transformă energia electromagnetică în căldură. Frecvența e constantă pentru simplul fapt că timpul de propagare de la sursă la orice punct de pe traiectoria luminii e constant, deci în mod inevitabil frecvența oscilațiilor din punctul respectiv este egală cu cea de la sursă. Lucrurile se schimbă totuși dacă punctul ales este în mișcare relativă față de sursă.

Iar vorbiți de fotoni. Lumina nu se compune din fotoni pe parcursul propagării. E o undă. Are sens să vorbiți de impuls numai atunci cînd e vorba de un impuls transferat între lumină și altceva, de exemplu un electron.

Spuneți că nu e de mirare scăderea vitezei atunci cînd luminii i se opune ceva. Dar luminii i se opune ceva pe tot timpul propagării în apă, și totuși viteza nu scade progresiv, ci o singură dată, la interfața vid-apă.

Propagarea în apă se face prin absorbția fotonului de către apă --- aici vorbim de foton pentru că are loc interacțiunea cu mediul --- și apoi reemiterea lui cu o mică întîrziere. Am putea spune că și în apă fotonul are tot viteza c, dar cu mici pauze, în care fotonul moare și apoi reînvie. La ieșirea din apă lumina nu face decît să-și continue drumul, de data asta fără a mai întîlni piedici și fără pauze. Deci nu e o accelerare propriu-zisă.

0 0

Discuția devine interesantă, cel puțin pentru mine. Voi continua să mă refer la foton, pentru că de foton e vorba. Chiar regret că în textul întrebării am folosit alternativ termenul lumină.

Faptul că fotonul își conservă energia rezultă din E=hf, deoarece frecvența f nu se schimbă (h e constanta lui Plank). Vorbesc de fotonii care sunt refractați. Cei absorbiți sunt morți, cum ziceți dumneavoastră. Energia lor se transformă în căldură. Nu despre ei vorbesc în întrebare.

Observăm în același timp că viteza v, egală cu produsul dintre f și lungimea de undă l, scade din cauza unor absorbții și emisii succesive care îl lasă, cum spuneam, neschimbat energetic..

Asta înseamnă că, pentru ca f să rămână constantă trebuie  ca și l să scadă.

Dar Impulsul (sau momentul) p=h/l  deci, prin scăderea lui l, impulsul crește. Are sens să vorbim de impuls îm orice condiții. Pe vremuri impulsul se numea cantitate de mișcare, denumire care mie îmi place mai mult pentru că e mai intuitivă. 

Ajung deci la concluzia că, in timpul trecerii prin mediul respectiv, energia fotonului se conservă (prin intermediul lui f), iar momentul crește (prin intermediul lui l). La reintrarea în vid viteza revine la c deci l revine la valoarea anterioară în condițiile în care f e constantă. Adică si valoarea impulsului va scădea la valoarea dinainte. 

Asta mie mi se pare foarte interesant. 

0 0
Din pacate vorbesti de cuvantul "foton" si nu de o entitate fizica.

Daca chiar vrei sa intelegi propagarea luminii intr-un mediu in termeni de fotoni, modelele simpliste de care vorbesti sant probabil ne-adecvate. A aplica proprietatile si formulele aplicabile unui foton in vid la propagarea prin materie este o extrapolare probabil nejustificata. Polaritonii dupa cate inteleg sant particule cu masa nenula deci cinematica lor e diferita de a fotonilor "liberi". Asta doar ca un exemplu.

Daca vrei sa creezi un model fictiv care te satisface estetic, OK. Dar nu poti simplifica realitatea dupa voie ci trebuie sa o studiezi cu instrumentele adecvate.

Modelul undelor este foarte bun pentru a intelege propagarea prin mediu la nivelul discutiei de aici. Poate cineva care a studiat QED si fizica solidului in amanunt ar putea veni cu un model simplificat, in termeni de fononi si fononi si alte excitatii.

Altfel e doar o discutie despre modele fictive.
0 0

mircea_p, complicați inutil tema discuției cu elemente de fizica solidului. Nu știu unde ați găsit că polaritonii sunt particule cu masă nenulă. Am căutat pe net informații despre polaritoni și fononi (mulțumesc pentru provocare, sunt mereu dornic să învăț) și,din cît am înțeles, acestea sunt quasi-particule, mai exact obiecte matematice folosite pentru descrierea comportamentului materiei condensate.

Ca o analogie, sunt la fel de reali ca golurile din semiconductori care din motive pratice sunt privite ca particule cu sarcină pozitivă.

Pe de altă parte formulele utilizate de mine sunt perfect valabile pentru caracterizarea fotonului refractat la suprafața de separație a două medii cu indici de refracție diferiți. Viteza, frecvența, lungimea de undă, momentul, energia fotonului nu își pierd și nu îsi schimbă sensul după cum acesta traversează un mediu sau altul. Insistați cu modelul de undă ca și cum fotonii ar fi niște ghiulele mici care trec printr-un pepene. Nu, sunt unde! De-aia energia lor depinde de frcvență iar impulsul de lungimea de undă.

Aplicarea formulelor pe care le-am folosit nu e nicio extrapolare și e, probabil, justificată.

0 0

Am incercat doar sa atrag atentia ca natura propagarii prin mediu este intr-adevar mai complicata. Nu eu am facut-o asa, sorry.

Propagarea luminii printr-un mediu solid este o problema de fizca... solidului, ce sa-i faci? Daca te limitezi la propagarea prin medii diluate, cum este un gaz, atunci sigur ca nu e nevoie de excitatii colective si alte elemente de fizica solidului. Dar si in acest caz modificarea vitezei este un rezultat al interferentei intre diferite unde secundare. Tratarea in termeni de fotoni nu este triviala nici atunci. Idea este ca acesta scadere nu este rezultatul unui singur foton care incetineste la intarrea in mediu, asa cum iti place sa imaginezi. Este un fenomen colectiv. 

Polaritonii (ca si alte cvasiparticule cum sant fononii) sant un model matematic folosit toacmai pentru a simplifica matematica acestor fenomene colective care ar fi mult mai dificil de tratat altfel. Le fel sant golurile din semiconductori. In loc sa se studieze miscarea tuturoror electronilor dintr-o banda (minus 1) se introduce conceptul de "gol". Simplul fapt ca propagarea in anumite medii este descrisa de polaritoni indica ca este un fenomen colectiv.

Asta e, nu orice fenomen se poate modela cu bile si arcuri, ca sa il parafrazez pe Feynman. :) .  Mai ales cu bile individuale (sau ghiulele).

 

 

 

0 0
Puiu, poate ar trebui să vă dea de gîndit faptul că lumina are în apă o viteză mai mică decît c. Fotonii nu pot exista decît dacă au exact viteza c. Ceva nu e în regulă cu modelul dumneavoastră. Vorbiți despre niște fotoni care se mișcă prea încept pentru a putea supraviețui.

Spuneți că impulsul fotonilor crește în apă, dar pentru asta folosiți formula p=h/lambda, care e însă valabilă numai în vid (sau așa am eu impresia).
0 0

Mi-a dat de gândit faptul că lumina are în apă o viteză mai mică decât viteza c. Lumina, nu fotonii care sunt absorbiți și reemiși. Aceste procese de absorbție și reemisie cu durate de ordinul nanosecundelor introduc o întârziere în propagare, ca să folosesc un cuvânt mai potrivit decât încetinire.

 

Formulele folosite sunt toate deduse, după cum știți, din formula relativistă

E=(mc^2)^2+(pc)^2 pentru cazul fotonului unde m=0.

Formulele pot fi folosite cu introducerea corecțiilor cerute de anumite diferențe între condițiile din vid și cele din alte medii. În cazul de față corecțiile sunt aduse de luarea în considerare a indicelui de refracție n.

Astfel, lugimea de undă în mediu lm e egală cu lungimea de undă din vid lv/n. la o frecvență f avem în vid p=h/lv iar în mediu p=h/(lv/n)=nh/lv, adică de n ori mai mare. Ținând seama că lv=c/f putem rescrie p=nhf/c, formulă în care apare viteza luminii în vid.

Am ales apa tocmai ca să evit complicații legate de procese specifice mediului, dar care să întârzie lumina semnificativ în termeni procentuali. 

Mă repet, conservarea energiei, creșterea impulsului și scăderea vitezei în același proces este, pe cît de neintuitivă pe atât de interesantă.

0 0

Eu cred că amestecați pe undeva lucrurile, fie aspectele de undă cu cele de corpuscul, fie pe cele individuale cu cele colective.

Deci sînteți de acord că fotonii au în apă aceeași viteză c ca în vid și că întîrzierea este numai un efect statistic dat de absorbții+reemisii. Atunci ar trebui să nu vă mire cu nimic faptul că după ieșirea din apă fotonii au viteza c. Pur și simplu în vid nu mai există absorbții și reemisii care să introducă întîrzieri în mișcare. Chestiunea ar trebui să fie banală. În realitate însă propagarea luminii prin mediu nu este descrisă chiar corect de absorbții și reemisii; asta e doar o imagine care să vă ajute intuitiv.

În legătură cu impulsul fotonului într-un mediu citiți despre controversa Abraham-Minkowski, veche de peste un secol. Potrivit lui Abraham impulsul scade în mediu de n ori, iar potrivit lui Minkowski crește de n ori. Culmea, se pare că amîndoi au dreptate, dar pentru variante diferite ale noțiunii de impuls. Pe mine însă chestiunea mă depășește.

0 0

Nu știam de această controversă. Foarte interesant!

Văd că și Abraham și Minkowski au ținut cont de mediu doar prin considerarea indicelui de refracție n. M-am mai documentat, iar despre împăcarea controversei am găsit câteva materiale dintre care cel mai util este pe http://physicsworld.com/cws/article/news/2010/feb/26/both-answers-correct-in-century-old-optics-dilemma.

0 1
Bag samă  pe aici miroase a creiere încinse. Cam pe aici ne aduce coclitura împulicată numita dualitatea  undă- corpuscul. Oare, viteza unei unde nu-i o caracteristică, proprietate a unui mediu? Sunetul la intrarea în apă își mărește viteza la 1500m/s fără aport de energie, impuls exterior.
...