Grundlegender Ansatz

Mareks Antwort wird kurz als "Nein" zusammengefasst. Es basiert auf den "grundlegendsten" Konzepten der Physik - Sie haben grundlegende Quantenteilchen - Photonen, Elektronen und einige andere. Und diese Teilchen interagieren miteinander und produzieren die ganze Welt um uns herum. Die Eigenschaften der Teilchen, wie ihre Masse, Ladung, e.t.c. ändert nichts, was du mit ihnen machst. Und deshalb ist die Masse des Photons immer Null.

Dieser Ansatz ist sehr intuitiv und natürlich ist die Antwort richtig ... Aber man kann dasselbe Problem aus einer anderen Perspektive betrachten und eine andere Antwort erhalten:

Quasiteilchen-Ansatz

Diese fundamentalen Teilchen sind nur Anregungen des Vakuums - das universelle Medium für alles um uns herum. Wir sprechen gerne über Partikel, weil sie "frei" sind - sie fliegen frei im Vakuum und interagieren selten miteinander.

Jetzt betrachten wir anstelle des Vakuums ein anderes "nicht so universelles" Medium - - ein Glas. Wie alles andere besteht das Glas aus den genannten Grundpartikeln. Es stellt sich heraus, dass man nicht über das fundamentale Photon in einem Glas sprechen möchte - es interagiert immer mit Dingen in der Materie: es streut, wird absorbiert, wird wieder emittiert e.t.c. Mit anderen Worten, es ist nicht "frei". Es ist viel einfacher, ein Quasiteilchen zu betrachten, das "fast ein Photon" ist. Ein Quasiteilchen ist eine Anregung des glasartigen Mediums. Und es verhält sich so, als wäre es im Glas "frei" - es fliegt frei im Glas und interagiert selten mit anderen Quasiteilchen.

Unter diesem Gesichtspunkt lautet die Antwort auf die Frage "Ja" - - Im Glas hat das Quasiteilchen "Photon" eine gewisse Masse, während das Vakuumteilchen "Photon" im Vakuum keine Masse hat.

Dieser zweite Gesichtspunkt ist viel ausgefeilter und erfordert mehr Aufwand, um ihn zu verstehen. Ich denke jedoch, dass er "flexibler" ist und es Ihnen ermöglicht, Dinge wie Renormierung, effektive Feldtheorien, Quarks und Hadronenstruktur sowie QCD zu verstehen. Wärmefeldtheorie usw. Schließlich kann das, was wir jetzt "das Grundvakuum" nennen, nur "ein Glas" sein, das aus etwas Grundlegenderem besteht.

Bearbeiten: Vielen Dank an alle Kommentatoren. Vorher habe ich sowohl Streuung als auch Absorption von Licht miteinander vermischt. Ich habe versucht, die Antwort zu aktualisieren, um genauer zu beschreiben, was dort unten tatsächlich vor sich geht.

Hinweis: Ich werde nur die Interaktion mit Molekülen der Material hier. Fortgeschrittenere Dinge wie die Wechselwirkung mit dem Gitter von Kristallen oder die Wechselwirkung mit freien Elektronen in Metallen würden eine separate Diskussion erfordern.

Was passiert, ist, dass Photonen, wenn sie in die Materie eintreten, eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null haben Streuung an Atomen des Materials. In der QED (Quantenelektrodynamik) wird dieser Prozess durch Summieren aller möglichen Wege realisiert, auf denen das Photon mit Elektronen des Materials interagieren kann. Am einfachsten ist es, wenn das Photon vom Elektron absorbiert wird, wodurch seine Energie erhöht wird (dies ist jedoch keine Anregung auf ein genaues energetisches Niveau; jede Energie reicht aus) und nach kurzer Zeit ein anderes Photon emittiert. Wie Tobias richtig hervorhob, hat das emittierte Photon tendenziell die gleichen Eigenschaften, wenn mehr Photonen mit der gleichen Energie und dem gleichen Impuls in der Nähe sind. Dies liegt daran, dass Photonen Bosonen sind und Bosonen gerne dieselben Zustände einnehmen.

Alle diese Prozesse tragen nun zur endgültigen Streuamplitude bei. Dies ist eine komplexe Zahl, die sowohl die scheinbare Verlangsamung der Photonen auf der Materie als auch die Absorption von Licht in der Materie beschreibt. Sein Wert hängt davon ab, wie das Molekül genau aussieht, welche Energieniveaus Elektronen einnehmen und so weiter. In jedem Fall können Sie (zumindest im Prinzip) die gesamte Komplexität eines einzelnen Atoms auf eine Zahl reduzieren, die den Brechungsindex und den Absorptionskoeffizienten angibt. Es ist zu beachten, dass diese Zahl auch von der Energie des einfallenden Photons abhängt, was eine Dispersion ergibt.

Wenn wir die tatsächliche Zeit ermitteln möchten, die Photon benötigt (beachten Sie, dass hier das Wort Photon großzügig verwendet wird, da es absorbiert und wieder emittiert werden kann), um durch das Material zu reisen, werden wir erneut aufgefordert, die gesamte Summe zu summieren mögliche Trajektorien und dies bedeutet über alle möglichen Streuungen an allen Atomen. Eine mögliche Flugbahn ist, dass Photonen mit nichts interagieren. Dies ist eine dominante, die im Vakuum korrekt wäre. Jetzt besteht aber auch die Möglichkeit, dass Photonen an einigen Atomen streuen (normalerweise jedoch nur an einem, da die Streuwahrscheinlichkeit gering ist) und dies die endgültige Amplitude verändert. Wenn es keine Absorption gibt, besteht der einzige Effekt darin, dass "das Photon länger braucht, um sich durch das Material zu bewegen". Wenn es auch Absorption gibt, verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass das Photon das Material passiert.

Natürlich ist die Quantentheorie nur probabilistischer Natur, und dies bedeutet, dass, wenn Sie viele Photonen durch das Material lassen Material dann werden sie im Allgemeinen etwas Streuung an den Atomen nehmen. Man kann also sagen (und es ist sehr richtig), dass die Elektronen der Materie das einfallende Licht "einfangen", wodurch es sich langsamer ausbreitet.

Lieber Dan, das ist eigentlich eine sehr einfache Frage. Die Phasengeschwindigkeit oder Gruppengeschwindigkeit eines Photons kann kleiner sein. Aber die Energie eines einzelnen Photons ist immer $$ E = hf $$, wobei $ h $ die Plancksche Konstante und $ f $ die Frequenz ist. Dies gilt für Quanten in jedem Material - und nicht nur für Photonen. Dies gilt auch für Gravitonen, Elektronen, Myonen oder andere Teilchen. Diese Beziehung zwischen Energie und Frequenz der mit dem Teilchen verbundenen Welle ist völlig universell - und folgt aus der Tatsache, dass Energie (der Hamilton-Operator) die zeitliche Entwicklung erzeugt, d. H. Durch die Frequenz für alle periodischen Wellenfunktionen gegeben ist.

Die Frequenz eines Photons ändert sich nirgendwo - es muss immer noch die gleiche Anzahl von "Perioden" pro Sekunde geben, wo immer Sie hinschauen - stellen Sie sich vor, Sie senden ein Paket mit 500 Maxima und 500 Minima aus eine Welle, so dass überall die gleiche Anzahl zu sehen ist.

Die Energie jedes Photons bleibt also konstant, wenn es sich durch eine Umgebung bewegt. Wenn es absorbiert wird, gibt es natürlich seine Energie (oder seinen Teil) an ein anderes Teilchen weiter.

Ich möchte Kostyas ausgezeichnete Antwort und auch Mareks hinzufügen.

Kostya beschreibt tatsächlich eine Quantenüberlagerung von Zuständen freier Photonen und angeregter Materie. In diesem Szenario wird der Brechungsindex häufig als Folge der wiederholten Absorption und Reemission der Vakuumphotonen durch die Atome / Moleküle des Mediums beschrieben. Dies ist ein gutes erstes Bild, aber es ist genauer, die Situation als die gerade erwähnte Quantenüberlagerung zu beschreiben. Das sogenannte Quasiteilchen ist diese Überlagerung, die der Energieeigenzustand in Gegenwart des Mediums ist, d. H. Der Energieeigenzustand des elektromagnetischen Feldes, das an die Zustände der angeregten Materie gekoppelt ist. Der Eigenzustand (Quasiteilchen) wird abhängig von der genauen Art der Wechselwirkung als verschiedene Dinge bezeichnet: Polariton, Plasmon, Exziton usw., aber im Prinzip ist ihre wesentliche Natur als Quantenüberlagerung von Photonen- und erhöhten Materiezuständen genau dieselbe jeweils.

Sie können auch die Restmasse des Quasiteilchens berechnen. Dies ist eine Art auszudrücken, wohin die Energie im Medium "gegangen" ist: Wir können uns in dem Rahmen in Ruhe relativ zum Quasiteilchen bewegen, und die Störung hat eine Energie ungleich Null $ m_0 \, c ^ 2 $ in diesem Rahmen, die darstellt Energie, die in den Zuständen der ausgetretenen Materie des Mediums gespeichert ist.

Berechnen wir die Restmasse des Quasiteilchens aus $ E ^ 2 = p ^ 2 \, c ^ 2 + m_0 ^ 2 \, c ^ 4 $ und $ p = \ gamma \, m_0 \, v $ mit $ v = c / n $, wie üblich mit $ \ gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1- {v ^ 2} / {c ^ 2}}} $ ist der Lorentz-Faktor. Lassen Sie uns dies vom ruhenden Frame relativ zum Medium aus tun (obwohl $ m_0 $ natürlich Lorentz-invariant ist, sodass wir aus jedem Frame eine entsprechende Berechnung durchführen können). Also:

$$ E ^ 2 = p ^ 2 \, c ^ 2 + m_0 ^ 2 \, c ^ 4 = m_0 ^ 2 \, c ^ 4 \ left (\ frac {1} { n ^ 2 \, \ left (1- \ frac {1} {n ^ 2} \ right)} + 1 \ right) = m_0 ^ 2 \, c ^ 4 \ frac {n ^ 2} {n ^ 2- 1} $$

oder

$$ m_0 = \ frac {E} {c ^ 2} \ sqrt {1- \ frac {1} {n ^ 2}} $ $

Für $ n = 1,5 $ (übliche Gläser wie Fensterscheiben oder N-BK7 - Objektträgerglas) bei $ \ lambda = 500 \ rm \, nm $ erhalten wir aus $ E = h \, c / \ Lambda $, $ m_0 = 3,3 \ mal 10 ^ {- 36} {\ rm kg} $ oder etwa 3,6 Millionstel einer Elektronenmasse.

Die Übertragung von Licht durch Glas hat nichts mit Elektronenanregung zu tun, und genau deshalb ist Glas transparent. Tatsächlich polarisiert die einfallende elektromagnetische Welle das Medium, das die Strahlung wieder emittiert. Theoretisch könnte es in jede Richtung wieder emittiert werden, aber es kann gezeigt werden, dass verschiedene Wavelets (kleine Teile der Welle) nur in der anfänglichen Lichtrichtung positiv interferieren. Wie schwierig es ist, ein bestimmtes Medium zu polarisieren, wird durch seine Polarisierbarkeit charakterisiert, die direkt mit dem Brechungsindex zusammenhängt.

Nun zur Frage nach der Masse des Photons.

Der Photonenimpuls ist definiert als $ \ textbf {p} = \ hbar \ textbf {k} $. Es kann gezeigt werden, dass Impulse von einfallenden (i) und durchgelassenen (t) Photonen als $$ n_ {ti} = \ frac {p_t} {p_i} $$ zusammenhängen, wobei n der Brechungsindex ist . Dies bedeutet, dass für $ n_ {ti} >1 $, $ p_t>p_i $ der Impuls des Photons tatsächlich zunimmt, was auf eine Zunahme der effektiven Masse des Photons zurückzuführen ist (siehe FR Tangherlini, "Über das Snellsche Gesetz und die Gravitationsablenkung des Lichts" ", Am. J. Phys. 36 , 1001 (1968).

Bearbeiten : Das Argument, ob ein Photon ist Die Dynamik im Medium ist $ n $ mal kleiner als $ n $ mal größer. Dies wird als Abraham-Minkowski-Kontroverse bezeichnet, und es gibt starke Beweise für beide Definitionen.

Das Photon verlangsamt sich nie, da das Teilchen durch das Medium Glas geht und von den nahe gelegenen Elektronen absorbiert wird. Die Absorption und Wiederemission des Photons braucht Zeit, wir haben das als Verlangsamung des Photons interpretiert. Das Photon fährt immer mit der gleichen Geschwindigkeit und hat immer keine Masse.