Warum beeinflussen bestimmte Materialien die übertragene Lichtgeschwindigkeit?
Wenn Licht in ein Medium außerhalb des Vakuums eintritt, verlangsamt es sich. Wenn Licht das Medium verlässt und wieder ins Vakuum eintritt, beschleunigt es wieder. Woher kommt die Energie, die das Licht beschleunigt? Die Energie des Lichts ändert sich nicht, wenn es ein Medium betritt oder verlässt. Die Geschwindigkeit des Lichts hängt jedoch von den Eigenschaften des Mediums ab, durch das es sich bewegt. Wenn Licht in ein Medium außerhalb des Vakuums eintritt, interagiert es mit den Atomen oder Molekülen im Medium, was dazu führt, dass es sich verlangsamt. Wenn es das Medium verlässt und ins Vakuum zurückkehrt, interagiert es nicht mehr mit diesen Partikeln und beschleunigt sich wieder auf seine ursprüngliche Geschwindigkeit im Vakuum.

Diese Geschwindigkeitsänderung verstößt nicht gegen das Energieerhaltungsgesetz, da die Energie des Lichts während des gesamten Prozesses konstant bleibt. Die Energie eines Photons, das das Licht als Teilchen betrachtet werden kann, wird ausschließlich durch seine Frequenz oder Wellenlänge bestimmt. Daher muss sich bei einer Änderung der Lichtgeschwindigkeit in einem Medium auch seine Frequenz oder Wellenlänge ändern, um die gleiche Energie aufrechtzuerhalten.
Um dies zu beantworten, müssen wir zuerst ein paar Konzepte klären. Licht funktioniert nicht so, wie man es von einer alltäglichen Welle erwarten würde. Zum Beispiel haben Schallwellen in verschiedenen Medien unterschiedliche Geschwindigkeiten. Der Mechanismus, der dies ermöglicht, ist NICHT derselbe wie der Mechanismus, der bewirkt, dass Licht in verschiedenen Medien "unterschiedliche Geschwindigkeiten" hat.

Nun wollen wir zunächst erkunden, wie Licht durch transparente Objekte reist. Licht besteht aus kleinen Energiepaketen, sogenannten "Photonen". Die Geschwindigkeit, mit der diese Photonen im Universum reisen, ist immer gleich, egal in welchem Fall. Diese Geschwindigkeit ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Was passiert also, wenn Licht beispielsweise in Glas eindringt? Nun, die in diesem Glasstück vorhandenen Atome, insbesondere Elektronen, absorbieren diese Photonen und gehen in eine höhere Umlaufbahn um den Kern. Nach kurzer Zeit emittieren sie spontan ein Photon und fallen in ihre Umlaufbahnen zurück. Dies geschieht eine Weile, wobei diese Photonen absorbiert, von den Elektronen für eine sehr kurze Zeit gehalten, emittiert und wiederholt werden, bis sie die andere Grenze des Glasstücks erreichen.

Deshalb scheint die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium unterschiedlich zu sein, abhängig vom Medium, das es durchläuft.

Hier ist ein Analogie, um dieses Konzept besser zu verstehen. Stellen Sie sich vor, Sie möchten von Ihrem Haus zur Schule laufen. Sie laufen immer mit derselben Geschwindigkeit. Eines Tages haben Sie eine Route genommen, auf der Sie niemanden getroffen haben. Daher sind Sie frühzeitig in der Schule angekommen. Am nächsten Tag haben Sie jedoch entlang einer anderen Route einige Freunde getroffen. Sie haben sich mit ihnen getroffen, ein wenig geplaudert und sind dann wieder losgelaufen, bis Sie einen anderen Freund getroffen haben. Das ging so weiter, bis Sie die Schule erreicht haben. Nun war Ihre Durchschnittsgeschwindigkeit niedriger als am vorherigen Tag. Das bedeutet jedoch nicht, dass Ihre Laufgeschwindigkeit niedriger war. In dieser Analogie sind Sie ein Photon, die beiden verschiedenen Routen zu Ihrer Schule sind die verschiedenen Medien, während Ihre Freunde die Atome im Medium sind.

Ich hoffe, Sie haben das Konzept gut verstanden. Fragen Sie mich gerne nach weiteren Klärungen!