光穿過介質(zhì)會折射并降速，但光子的速度并未發(fā)生改變！

我們都知道光速在真空中是C，我們也知道光在穿過介質(zhì)時會發(fā)生折射，光速會發(fā)生改變。那么我的問題是：光線的折射機(jī)理是什么？光速為什么會發(fā)生改變？光子在這個過程中發(fā)生什么變化?光子的速度和能量也降低了嗎？我們今天就聊下這個問題！

首先我可以肯定的告訴你只要光子沒有被吸收，它們穿過不同的介質(zhì)時速度和能量就不會發(fā)生改變。

首先我們要了解下是什么導(dǎo)致了光在穿過密度更大的介質(zhì)時發(fā)生折射？下面是一個很好的類比：

這就好比兩列士兵組成一個長方形的隊伍走在人行道上，突然前方出現(xiàn)了泥濘的小路，他們必須斜著穿過泥濘的區(qū)域（代表光線斜射進(jìn)介質(zhì)中），同時又要待在一起，以直線的方式行進(jìn)，就會出現(xiàn)如下圖所示的情形:

如果你仔細(xì)觀察，第一個進(jìn)入泥地的士兵會減速，而他右邊和后邊的同伴仍在人行道上全速前進(jìn)。這種速度上的相互差異導(dǎo)致了每列每排的士兵發(fā)生相對位移造成彎曲，最終整個隊伍都沿著彎曲的路線前進(jìn)，造成了折射。同樣的事情也會發(fā)生在一束斜穿進(jìn)介質(zhì)的光子上。這時你肯定產(chǎn)生了一個問題第一個士兵為何要減速？

下一個邏輯問題是——為什么進(jìn)入介質(zhì)的光速會改變?

對于士兵來說，最基本的特性決定了士兵在特定地形上的運(yùn)動速度，這就是他們的腳和地面之間的摩擦。如果摩擦力減小，士兵就不能有效地用腳把地面往后推，因此根據(jù)牛頓第三定律，地面的反作用力就會減小，這就導(dǎo)致了第一個士兵速度的下降。

同樣地，為了理解光從密度低的介質(zhì)到密度高的介質(zhì)時速度會下降的原因，我們就需要理解光是如何產(chǎn)生和傳播的。

我們已經(jīng)知道光是一種電磁波。

那么電磁波是如何產(chǎn)生的呢?我們還記得小學(xué)時候的電鈴吧，在電鈴的內(nèi)部，線圈繞在鐵芯上，當(dāng)變化的電流通過線圈時就會產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場以很高的頻率吸引鐵錘（我具體不知道叫什么，尷尬！）這時我們就放學(xué)回家了。

因此電場(E)的變化會產(chǎn)生一個瞬態(tài)磁場(B)

同樣地，在發(fā)電機(jī)內(nèi)部變化的磁場會產(chǎn)生變化的電場，俗話說的好：磁生電，電生磁，電磁感應(yīng)馬達(dá)轉(zhuǎn).....！

所以變化磁場(B)可產(chǎn)生瞬態(tài)電場(E)

現(xiàn)在，我們已經(jīng)掌握了描述光傳播原理所需的基本要素。

如果我們以某種方式產(chǎn)生一個瞬態(tài)的高頻振蕩電場——我們就得到了光 !

快速變化的磁場/電場將反過來產(chǎn)生另一種形式的相應(yīng)分量。所以，電場產(chǎn)生磁場，磁場進(jìn)一步產(chǎn)生一個電場，這就是光傳播的方式。下圖：

但是，是什么決定了光速呢？

現(xiàn)在讓我們想象一下輕輕地把一塊石頭扔到水里，就會產(chǎn)生漣漪向四周擴(kuò)散，這些漣漪以水特有的速度向外運(yùn)動，而幾乎與石頭的投擲速度無關(guān)。所有的漣漪以同樣的速度傳播，這是水的特性！

同樣，在真空中，電場和磁場的傳播速度相同都是c = 299792458米/秒，這是真空的特性。

現(xiàn)在，我們讓光通過某種介質(zhì)。在介質(zhì)中電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生磁場。當(dāng)光穿過介質(zhì)時，它會干擾電子的場系統(tǒng)，這就造成了光傳播的滯后，光的傳播速度就會下降。實際上，介質(zhì)中的光子，還會與電子發(fā)生相互作用，由于電子受到光的干擾，于是開始與經(jīng)過的光波，同步產(chǎn)生額外的電磁波。這兩種波相互作用并相互疊加，形成了穿過該介質(zhì)的新光波。但是，由于這種新光波是振幅和頻率略有不同的兩種不同波的疊加，所以新光波最終以不同的速度向前移動。這個速度可以大于或小于原始光波的速度!

它甚至可以超過光速本身。

這是因為，我們所討論的速度并不是單個光波的速度，而是由兩個或兩個以上不同頻率的光波疊加而成的合成波的速度。

注意:光子只有在與物質(zhì)相互作用時才會表現(xiàn)出粒子的行為，而且光子不攜帶任何動能，因為它們沒有質(zhì)量。因此，所有的能量本質(zhì)上都存在于光子的電磁波動中，這種能量被定量地定義為普朗克常數(shù)乘以它們的頻率。

當(dāng)光子與物質(zhì)碰撞時，正是這種電磁波動的能量被相容的電子吸收。光子在被吸收之前并不會失去能量。因此，當(dāng)光子穿過透明介質(zhì)時，它無法釋放能量，光的頻率也不會改變。因為此時光子不與任何物質(zhì)相互作用，只與場發(fā)生相互作用。但是，在穿過介質(zhì)時光的電磁波動會受到一些阻力，光波振蕩越快，光的頻率越高，電場和磁場的振蕩頻率也越高，它與材料中電子產(chǎn)生的固有場的相互作用越強(qiáng)，光束通過材料介質(zhì)時所面臨的阻力越大，其速度下降越大，通過介質(zhì)時彎折越大，介質(zhì)的折射率隨特定光波的折射率的增大而增大。這就是三棱鏡能分散不同頻率光的原因。

簡而言之，我想說的是，當(dāng)我們討論光波通過物質(zhì)介質(zhì)的速度時，我們討論的是由原始光波構(gòu)成的一組疊加波的速度，其中包括電子受到周圍光波電磁場的影響而產(chǎn)生的波。這種疊加波的速度與原始光波的速度不同。

我們需要了解的是，介質(zhì)內(nèi)部的光基本上是波的總和，這就是光的速度發(fā)生變化的原因。而單個光子保持不變。

換句話說，當(dāng)兩種或兩種以上的波結(jié)合時，所產(chǎn)生的波具有以下基本性質(zhì):

• “相速度”：波的相位運(yùn)動的速度。

相速度，是指波的相速度或相位速度，或簡稱相速，相速度的定義是電磁波的恒定相位點的推進(jìn)速度。換句話說，波的任一頻率成分所具有的相位即以此速度傳遞。可以挑選波的任一特定相位來觀察（例如波峰），則此處會以相速度前行。

• “群速度”：包絡(luò)波運(yùn)動的速度。

群速度的定義是包絡(luò)波上任一恒定相位點的推進(jìn)速度。這是討論介質(zhì)中的光速時所考慮的速度。

• 現(xiàn)在，仔細(xì)觀察下圖的合成波(由兩個不同頻率的波疊而成的)，應(yīng)該能夠看到，雖然波(相位)實際上是向后傳播的，但是它的波包或“群”是向前傳播的！

所以，當(dāng)一個高頻波(這里指光波)和一個低頻波(由電子產(chǎn)生的波，由于某種慣性，不能以光的頻率精確的振蕩)疊加在一起時，所發(fā)生的是低頻波調(diào)制了高頻波的振幅，從而負(fù)責(zé)形成外包絡(luò)線，但是波的實際頻率(內(nèi)包絡(luò)線)來自高頻波的成分，因此，光子本身以其特有的速度和頻率運(yùn)動(這就是為什么光穿過玻璃時顏色不會改變)，但內(nèi)外包絡(luò)線以不同的速度運(yùn)動，這就是造成光速混亂的罪魁禍?zhǔn)?!

要想精確的解釋其中的種種原因確實很復(fù)雜，需要解決量子力學(xué)中的長而復(fù)雜的方程，臣做不到！我想這是我們關(guān)于光穿過介質(zhì)為什么會減速以及光子為何速度不變最簡單的解釋。