چرایی کاهش سرعت نور در گذر از آب یا شیشه

پدیده کاهش سرعت نور هنگام عبور از موادی همچون شیشه یا هوا از جذاب‌ترین حوزه‌های فیزیک محسوب می‌شود

برهم‌ کنش پیچیده میان نور و مواد مختلف را از سه‌ طریق می‌توان توضیح داد که هر کدام از این توضیح‌ها، درک متفاوتی از فیزیک را ارائه می دهند. همه این توضیح‌ها نقاط قوت و ضعف دارند اما در عین حال، ابزار‌های قدرتمندی برای درک و شناخت این برهم‌ کنش جالب میان نور و محیط پیرامون آن محسوب می‌شوند.

پرده شماره ۱: نور موج است

نخستین دیدگاه از «جیمز کلارک ماکسول»، فیزیکدان نابغه اسکاتلندی است که در قرن نوزدهم نظریه یکپارچه‌ای برای الکتریسیته و مغناطیس مطرح کرد و دریافت که نور از امواج الکتریسیته و مغناطیس ساخته شده است. هنگامی که امواج نور با ماده‌ای همچون شیشه یا آب برخورد می‌کنند، سر راه‌شان مجموعه‌ای از ذرات باردار را می‌بینند. مولکول‌های موجود در شیشه یا آب از اتم‌هایی ساخته شده‌اند که پروتون و الکترون دارند. به عبارت دیگر، از ذراتی درست شده‌اند که باردار محسوب می‌شوند. از دیگر سو، ذرات باردار هم در واکنش به امواج الکترومغناطیسی که از کنارشان عبور می‌کنند، می‌لرزند و تکان می‌خورند. از آن جا که امواجی که بر اثر ذرات باردار ایجاد می‌شوند، کمی تاخیر دارند، کل سیستم کندتر حرکت می‌کند در نتیجه، نور آهسته‌تر حرکت می‌کند.

پرده شماره ۲: نور ذره است

نظریه ماکسول تصویری کلاسیک از مقوله تابش ارائه می‌دهد و می‌گوید که نور از ذرات ریز بی‌شماری به نام فوتون ساخته شده است. این فوتون‌ها پس از ورود به موادی از این قبیل شروع به برهم‌کنش با تمام ذرات باردار می‌کنند. ذرات باردار می‌توانند فوتون‌ها را جذب و فوتون‌هایشان را گسیل کنند، زیرا این کاری است که ذرات باردار انجام می‌دهند. از این رو، همه این ذرات باردار شروع به گسیل مقدار زیادی از ذرات مجازی می‌کنند و بار دیگر، آشفتگی عظیمی به بار می‌آید. این جاست که «فاینمن» به کمک‌ فیزیک‌دانان آمد و روشی ابداع کرد که میانگین تمام مسیرهای ممکنی را که این فوتون‌ها می‌توانند طی کنند، محاسبه می‌کرد. این فرایند میانگین‌گیری تمام فوتون‌های سرگردان را از معادلات حذف کرد و تنها فوتون‌هایی را نگه داشت که در جهت اصلی نور حرکت می‌کردند. اما مسئله این است که همه این برهم‌کنش‌ها هزینه هم دارند؛ این که یک الکترون فوتونی را جذب و دوباره گسیل کند، به زمان نیاز دارد که این تاخیرها بیشتر و بیشتر می‌شوند. در نتیجه، نور آهسته‌تر حرکت می‌کند.

پرده شماره ۳: همه‌چیز زیر سر پولاریتون است

تا این جای کار، تمرکز ما بر خواص نور بود و نور را به دو صورت موج یا ذره بررسی کردیم. اما در واقع، ماده چیزی بیش از مجموعه‌ای از ذرات باردار است که فقط هر کاری را که به صورت الکترومغناطیسی به آن‌ دستور داده شده است، انجام دهد. بر این اساس، همه مواد مدام در حرکت‌اند و این حرکت بر نحوه بر‌هم‌کنش آن ماده با هر چیز دیگری تاثیر می‌گذارد. دانشمندان برای کمک به فیزیک‌دانان در مقابله با پیچیدگی‌های چنین ارتعاش‌هایی می‌گویند همه این‌ها زیر سر یک ذره مجازی به نام «فونون» است. فونون نوع دیگری از ذرات مجازی است اما درست مانند فوتون‌های مجازی، وجود آن برای محاسبات بسیار سودمند است. این به فیزیکدان‌ها امکان می‌دهد برای توصیف ارتعاش‌های یک ماده، از زبان مکانیک کوانتومی استفاده کنند. این زبان جدید زمانی به کار می‌آید که نور، که از فوتون ساخته شده است، وارد یک ماده شود. وقتی فوتون‌ها و فونون‌ها به یکدیگر می‌رسند، چیز جدیدی ایجاد می‌کنند: یک پولاریتون! پولاریتون‌ها ویژگی‌‌های مشترک بسیاری با نور دارند اما در عین حال، ویژگی‌های متفاوتی هم دارند و این است که سرعت آن‌ها کندتر از سرعت نور است. این سرعت به خواص ماده (یعنی فونون‌ها) بستگی دارد. بر اساس این دیدگاه، این نور نیست که از یک ماده عبور می‌کند و ماده به آن واکنش نشان می‌دهد، بلکه پای یک جسم جدید یعنی یک پولاریتون در میان است. بنابراین نور به ماده می‌رسد. پولاریتون از درون این ماده محیطی عبور و در نتیجه، نور آهسته‌تر حرکت می‌کند.