Можно ли замедлить фотон, и если можно, то насколько?

Спрашивает

Roman Markin

#свет

#физика

#фотоны

03.01.2023

69 323

Простой вопрос

Алексей Тимошенко

эксперт

Да, можно. Собственно, вы именно такие фотоны прямо сейчас и видите — свет, распространяющийся не в вакууме, движется медленнее. То, во сколько раз он замедляется — зависит от свойств материала, и у этой величины есть название, известное по школьному курсу оптики, это «показатель преломления».

Свет, который попал к вам на сетчатку, прошел сначала через воздух (он не очень отличается от вакуума в этом плане, но все-таки свет в нем движется медленнее, чем в космическом пространстве), а потом через роговицу, хрусталик и глазное яблоко. Вот там уже показатель преломления в районе 1,4 (у хрусталика, кстати, еще и неравномерно, по краям меньше), так что последние миллиметры фотоны к вам шли с замедлением в 1,4 раза.

У алмаза показатель преломления аж 2,4 — там свет замедляется более чем в два раза. Кстати, само название «показатель преломления» говорит о том, что при попадании в «медленную» среду свет ещё и отклоняется в сторону: с этим связан и кажущийся излом погруженной в воду под наклоном палки, и эффект полного внутреннего отражения, когда поверхность какой-либо среды выглядит зеркальной.

Из более-менее «нормальных» материалов самый высокий — больше 4! — показатель преломления у германия: правда, он для видимого света вовсе непрозрачен, а пропускает только инфракрасное излучение. Но такие фотоны, в общем-то, тоже фотоны! И в германии они движутся со скоростью менее 25% от вакуумного значения.

Из «ненормальных» же материалов есть всякие штуки, в которых распространение света идет со скоростью вплоть до миллиметров в секунду, но там совсем некорректно говорить о замедлении отдельных фотонов. И, кстати, очень интересный эффект происходит, когда в материал влетает частица — уже не фотон, а какой-нибудь протон, например — со скоростью большей, чем скорость света в этом материале. Никакого нарушения теории относительности тут нет и в помине (та оперирует скоростью света в вакууме!), но такая частица резко тормозит, выдавая избыток энергии в виде света, это называют излучением Вавилова-Черенкова. Такие вспышки видят иногда космонавты: когда частицы космических лучей попадают в глаз.

Вопрос ставится так, как замедлить скорость единичного фотона препятствием без всякого переизлучения. Можно ли это измерить? Как при этом выполняется закон сохранения энергии?

Ответить

Zhe Sh

16.01.2023

"Детское" объяснение, по-моему, примерно такое: в вакууме фотон летит по прямой, а вот в прозрачной среде он как бы постоянно натыкается на маленькие отражающие зеркальца (атомы), которые немного меняют направление его движения. Общее направление все равно остается "вперед", но уже не по прямой, а по ломанной кривой, т.е. путь удлиняется. Чем плотнее среда, тем больше переотражений, больше изломов, длиннее путь. Поэтому кажущаяся скорость фотона в такой среде меньше световой, хотя на самом деле он не может двигаться ни с какой другой скоростью, кроме скорости света. Как-то так)

Ответить

Dzmitry Drazdou

16.01.2023

А еще черенковское свечение любят изображать когда речь идет о радиоактивности - все эти светящиеся зеленоватым светом материалы в мультфильмах и кино.

Ответить

Кирпань Николай

03.01.2023

А какова физическая природа замедления фотона? Что именно в веществе так влияет на него, что он двигается медленнее? (направление меняет видимо по этой же причине)

Ответить

—

Kiridan

03.01.2023

Самого замедления по сути нет – есть только задержка между поглощением и переизлучением фотонов атомами вещества. У самого же света скорость везде и всегда одинакова.

Ответить

ещё комментарии

Кирпань Николай

06.01.2023

А почему фотон переизлучается в том же направлении, в котором был поглощен? Да и вроде бы атомы могут излучать фотоны только строго определенных длин волн, а прозрачны вещества обычно в некотором диапазоне.

Ответить

—

Игорь Коняшов

06.01.2023

потому что закон сохранения импульса

Ответить

—

Di Moon

06.01.2023

фотон безмассовая частица. какой у него импульс? вне взаимодействии он всегда распространяется со скоростью света. вопрос по сохранению направления после прохождения прозрачного вещества остается открытым

Ответить

—

Игорь Коняшов

06.01.2023

Вы видимо из гуманитариев будете? Квантовую физику не скурили?)) Величина импульса фотона: P=h/λ, где h - постоянная Планка, а λ - длина волны. Не благодарите.PS И да, в разных веществах скорость света разная...)

Ответить

Kiridan

12.01.2023

Ты удивишься, но даже у лазера есть небольшая отдача.

Ответить

Dzmitry Drazdou

16.01.2023

Тем не менее давление света в школе проходится и даже демонстрируется. У фотона нет массы покоя, и только.

Ответить

Vlad V

16.01.2023

Если мы вспоминаем про закон сохранения импульса, то как быть с тем моментом, когда фотон поглотился, но еще не переизлучился? Вот эта вышеупомянутая задержка. Все проще (ну или сложнее). Нет никакого поглощения/переизлучения, а есть интерференция колебаний фотона и порожденных им электромагнитных волн

Ответить

Vlad V

16.01.2023

Потому что ничего там не поглощается и не переизлучается. При прохождении через вещество фотон инициирует электромагнитные волны (от электронов вещества) и то что мы видим - интерференция всех получившихся волн. И вот эта результирующая волна движется медленнее скорости света в вакууме.

Ответить

Vlad V

16.01.2023

Дело в том, что фотон - это электромагнитная волна и при прохождении по веществу она вызывает вторичные колебания от электронов вещества. А т.к. движение волн это движение гребней, то мы видим интерференционную картинку от всех инициированных волн. И вот эта результирующая волна движется медленнее.

Ответить