?si=NWePjVYO5Gu6I_1u
빛이 매질에서 왜 느려지는지에 대한 답을 드디어 찾았는제 빡통이라 영어를 모름...
전자기장 때문에 위상속도가 느려진다? 대충 이런 소리 같은데, 아니 그래서 어째서 우리 불변하신 빛님께서 느려진다는 거임...
?si=NWePjVYO5Gu6I_1u
제발 이 영상 좀 설명해주십시오... 영알못임
익명(118.131)
2023-09-15 10:52:00
추천 1
?si=NWePjVYO5Gu6I_1u
댓글 37
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핵력인자가 있다는 점에서 고려를 가져보면요...
거의 99.999... % 로 핵자의 자그마한 뭉치가 간섭이 Zero 라고 할때,
물과 같은 내부계에서 빛(전자기파의 진행파형)은 일종의 Circuit 들이 바다와 같이 난잡하게 진동되고 있는 Noise 라고 볼 수가 있어요.
그러니까 매질이라기 보다는 진행파에 대한 닫힌 전자기파 계 내에서의 진행률에 대한 Noise 가 내부 계에서 신호의 감쇄를 일으키는 것이 진행률에 대한 감쇄를 일으키는 것이죠.
B 위치까지 A 위치에서 닫혀있는 전자기파 계 내에서의 감쇄와 투사만이 고려되는 계를 해석의 배경인자로 설정하면요?
A to B 에서 투사가 일어나고 있는 중에 진행파가 있을때 주변 근방에서 파형의 감쇄를 일으킵니다.
A to B 의 투사속도 [v] 가 있을때, A to B 까지의 거리에 대한 도달시간의 길이만큼의 시간이
일정해야했던 만큼의 분량이 해석인자로 감쇄인자가 매질이 일으키는 전자기 간섭계의 들떠있음이 되는 것이 Ex) 물 이라서,
A to B 의 투사속도 [v] 가 지나가고 있음에 대한 해석인자로 볼때,
A to B 로의 도달해야했던 시간의 길이가 전자기 간섭계가 지나가고 있음의 빠름만큼 Ex) 물의 전자기파 계가 똑같이 전자기파의 움직임이라는 점에서,
빠름분량에 대한 지나가고 있음만큼 간섭인자가 이에 대한 들떠있음의 분량이 전자기파 계 내부의 감쇄를 일으키는 것이 전자기파 계 내에서의 투사에 대한 주변환경의 들떠있게 됨의 감쇄의 역효과가 분량이 되는 만큼 매질 내에서의,,
속도가 느려지는 원인이죠...
abcd1234
결국에는 A to B 로의 빛(진행하고 있음의 전자가파)의 불변량 중의 하나인 빛의 속도는 30 Million PER second 는 맞습니다.
그렇지만 불변량 중의 하나가 속도의 분량에 대한 진행의 하고 있음인 것이 중요합니다.
A to B 로의 진행하고 있음의 계에 대해서 이에 대한 해석인자로,,
정상진행을 생각해보자면,,
A to B 로의 간섭이 없을때가 전자기파 계에서 전자기파의 들떠있음에 대한 외부인자가 없을때가 정상진행 계로 볼 수도 있겠네요.. ^^
abcd1234
저 영상은 비전공자에게도 좀 쉽게 설명하려고 나이브하게 설명한 것 같네. 저 영상을 요약해보자면 "매질과 빛이 상호작용하면서 진공과 달리 빛이 일직선으로 못 나간다, 그러니 매질의 처음과 끝, 통과하는 속도만 따지면 진공보다 더 느리게 통과한다"로 요약돼.
저 영상에서는 빛이 atom에 흡수되기 때문에, 라고 표현했는데. 그 표현보다는 더 넓게 '상호작용'이라고 표현하는 게 더 정확해. absorption이 클 때, absorption이 작아서 glass같은 transparent한 녀석일 때 굴절률이 어떻게 표현되는지 다 다르거든.
하지만 넓게 상호작용(빛과 매질이 interaction)하기 때문에 라고 표현하면 대략 들어맞는 것 같다.
조금 더 내밀하게 설명해주자면, 진공에서 빛이 진행할 땐 아무것도 없으니까 그냥 전자기파가 진동하면서 맥스웰 방정식에 따라 쭉 진행하거든? 그런데 매질 안에서는 분극이 일어나서 빛의 전자기장에 의해서 instantaneous하게 쌍극자가 형성되고 이에 의한 전기장이 본래 진행하려던 빛의 전기장 형성을 늦추고 방해한다고 생각하면 돼.
제가 영상에서 이해한 건 1. 매질의 원자가 광자를 absorb한 후 re-emit해서 느려진다는 건 틀린 설명이다. 이는 매질 내에서 빛이 직진하는 걸 설명 못 함. 2. 그래서 광자말고 파동으로 생각해야함. 전자랑 상호작용을 해서 전자가 전자기파를 만듦. 근데 이 전자기파가 본래의 빛과 합쳐지게 됨. 3. 이 합쳐진 combined wave는 더 느림.근데 이 3번을 모르겠단 말이죠.이거 때문에 위상속도, 군속도 찾아보고 이해는 했는데... 결국엔 빛은 군속도로 움직이는 거고, 이 군속도는 광속이어야 하고, 광속은 불변인 거 아닌가요
그리고 혹시 위의 분은 조현병 환자인가요?
1. absorb한 후 re-emit해서 느려진다는 것 = 흡수가 매우 강한 매질일 때 맞는 설명 // 유리처럼 흡수가 적고 대부분 투과하는 물질의 경우에는 분극(Polarization)으로 인해서 지나가는데 저항이 생겨서 느려지는 거라고 이해하면 될 것 같아. 실제로 Impidance를 정의할 수 있기도 하고. 2. 빛의 굴절, 흡수, 산란 등등 전부 다 맥스웰 방정식에 기반해서 유도되었고 정의된 현상들이야. 보통 '고전 광학'의 영역에서는 빛의 입자성을 전혀 고려하지 않음. 빛의 입자성과 파동성을 둘 다 고려하는 학문은 양자광학으로 가야 하는 거고. 이후 빛이 전자를 driving시키고 이로 인해 또 생성된 전자기파가 본래의 빛이랑 또 합쳐지면서 이런저런 효과가 나타나게 된다는 이해는 잘했어
3. 위상속도랑 군속도랑 잘 이해 안 되고 헷갈릴 부분이기는 하지. 보통 고등학생이나 학부저학년 때까지는 사인파나 코사인파로 이게 빛이다, 라고 설명하면서 더 헷갈려하게 되는 부분이기도 해. 왜냐하면 특정한 하나의 주파수로만 이루어진 빛이 실은 현실에서 존재할 수 없는데, 마치 그게 현실의 빛인 것처럼 상식으로 받아들이게 되니까. 푸리에 변환 배웠어? 단순히 말해 주파수영역에서 딱 하나의 정해진 주파수라고 한다면(w에서 델타함수), 그거 푸리에 변환하면 시간영역상에서는 사인파, 코사인파가 되잖아? 근데 사인파나 코사인파는 시간영역상에서 무한히 퍼져 있거든. 현실에선 우주에선 그런 건 불가능하지.
왜 갑자기 이런 서론을 길게 이야기했냐면, 네 말대로 빛의 속도는 군속도로 봐야 해. 즉 wave-packet이라 불리는 시간 상에서 pulse로 봐야한다는 거지. 그렇다면 맥스웰 방정식으로 유도한 굴절률 등도, 단순히 solution model을 single freq.로 잡아서 계산할 게 아니라, 시간상에서 pulse를 이루도록 수많은 freq.의 중첩인 펄스로 solution을 가정해서 방정식에 넣고 계산을 다시해야겠지. 그래서 실제로 굴절률도 group index랑 phase velocity의 굴절률이랑 매질마다 다르게 나와. 구글에 refractive index.info 쳐보면 바로 확인할 수 있을 거다. 그리고 계산 결과상 group index는 절대로 1보다 작아질 수가 없어.
그래서 정보전달이 가능한 빛은 광속보다 빠를 수 없는 거고, 매질이 아예 없는 진공일 때 비로소 두 굴절률 n_g=n_p=1로 광속이 되는 거고. 매질이 있으면 보통 n_g>=n_p>1 이고(위상속도가 대개 항상 군속도보다 빠름) 매질 안에서도 n_g=n_p가 되려면 dispersion(freq.마다 매질 속 위상속도 차이)이 거의 없어야 하고. 그런데 여기서 위상속도를 정의해주는 굴절률 n_p는 사실 1보다 작아질 수도 있어. 일반적인 매질에서는 거의 안 그런데, 매질의 고유 진동수와 같아지는 resonance 영역에서라든가, 아니면 메타물질(빛의 파장보다도 작은 크기의 인공구조물)와 상호작용시키면서 n_p=0으로도 만들 수도 있음.
이런 경우에는 위상속도가 c/n_p -> infinite.로 아예 발산하는 결과가 나오지? 이걸 물리학적으로 어떻게 이해하면 좋을까? 간단히 이해하기 쉽도록 말하자면, 빛이 왼쪽에서---[meta]---->오른쪽으로 진행한다고 하고, 그 메타물질의 왼쪽에 닿자마자 흡수되고, 메타물질 오른쪽에서 마치 그걸 미리 대기타고 있었다는 듯이 갑자기 그 흡수된 거랑 똑같은 빛을 발사해버린 거야. 물론 그 두 빛은 애초에 서로 다른 기원에서 온 거라서, 정확히는 '빛의 속도'보다 빠른 것처럼 보이게 되는 거지. 애초에 두 개가 다른 빛인데.
분명 왼쪽에서 흡수된 빛하고 갑자기 그러자마자 오른쪽에서 방출된 빛하고 서로 다른 기원인데도, 파장, 결맞음 등등이 전부 같아서 photon이 갑자기 copy가 된 거지. 왼쪽에서 인풋받고 바로 똑같은 걸 복사해서 오른쪽으로 주는 모종의 블랙박스처럼ㅇㅇ 양자역학을 배웠는지는 모르겠지만, 실제로 non-Hermitian 시스템에서(에너지가 외부에서 공급되는) 메타물질을 아주 기똥차게 잘 만들면, 이론적으로 "Spontaneous absorption"이라는 현상을 유도해낼 수가 있어. 논문도 최근 몇년 안 된 따끈따끈하게 나왔다고 들었고. 보통 고등학교 물리에서는 그냥 흡수, "spontaneous emission 자가방출" "stimulated emission유도방출" 이렇게 세 개만 배웠었지?
그런데 4번째도 "Spontaneous absorption"이라고 부를 법한 (빛을 흡수했는데 동시에 빛을 방출하는) 기괴한 현상도 메타물질+non-Hermitian시스템으로 만들어낼 수 있다는 거지. 이야기가 길어졌는데, 결국 우리가 보통 상대성이론에서 말하는 빛의 속도는 빛의 군속도. 결국 매질 안에서도 군속도에 기반해 굴절률을 따로 정의해주므로, 군속도는 진공의 광속보다 항상 느리거나 같다. 반면 위상속도는 하나의 물리량(입자)라고 볼 수 있는, 즉 정보전달의 최소수단이 되는 그 전체를 고려 안 하고 그냥 일부분만 보고 정의한 속도이므로, 광속보다 빨라져도 문제없다. 애초에 이건 진짜 시간에 따른 한 물체가 공간을 얼마나 이동했느냐의 속도가 아니다.
광속이 불변이라고 말하는 건, 상호작용이나 그런 걸 아예 고려 안 했을 때나 말할 수 있는 거다. 정말 미시적으로 분석하자면, 매질 내에서 광자가 원자와 원자 사이, 전자+원자핵이 형성하는 전자기력에서 충분히 멀리 떨어진 그 사이 아주 ㅈ만한 공간에서는, 그 광자는 여전히 광속=299792458m/s로 간다. 그렇다면 파동이 아니라 빛을 광자로 모델링해서 매질을 지날 때 어떻게 될지는 어떻게 계산하는가? 글쎄다. 일단 아무 미시적으로 매질 속 막 부딪히기 직전인 바로 앞의 원자 하나만 고려한다면, scattering으로 모델링해서 계산할 것 같네. 그계산은 어떻게 하냐면, 원자의 양자상태와 광자(빛)을 양자상태로 표현해서 두 사이의 상호작용을 계산하면 되겠지.
scattering하니 생각 난건데, 고전적으로도 빛을 파동으로 봤을 때, scattering(산란)이론으로 매질 속에서 왜 빛이 느려지고 그러는지 다 설명할 수 있었던 걸로 기억이 난다. 너무 옛날이고 그 부분 수업만 대충 듣고 공부 안 했어서 나도 책 봐야 알겠네. 추가로, 더 궁금한 거 있으면 내일 퇴근하고 새벽에 또 답변 달아줄게. 일단 난 실험하는 사람이라서 너무 이론적인 부분이나 막 이론물리 쪽 질문은 대답 잘 못해줄 거다.