光在水中為什么會(huì)變慢？實(shí)際上，光在任何透明介質(zhì)中都會(huì)變慢，這些介質(zhì)除了水之外，還有玻璃、塑料和空氣等等。上過(guò)上過(guò)物理課的我們都知道材料的折射率，它是用來(lái)描述光在這種材料中減速程度的術(shù)語(yǔ)，這種減速是物體在水中看起來(lái)彎折的原因。折射率用n表示，是一個(gè)總是大于1的數(shù)。材料中的光速就是真空光速除以折射率，下面這張圖片顯示了常見(jiàn)材料的折射率和光速。
假設(shè)有一塊玻璃，它的折射率是1.5，這意味著光在玻璃中的傳播速度僅為2/3C。如果我們向玻璃發(fā)射激光，則激光首先以速度C傳播直到撞到玻璃表面。當(dāng)它進(jìn)入玻璃的時(shí)候，光的傳播速度會(huì)減慢成原來(lái)的2/3，并且會(huì)改變方向。一旦光線到達(dá)玻璃的另一側(cè)，它就會(huì)從玻璃中射出并再次改變方向，繼續(xù)以光速C傳播。此外，出射光將與入射光平行，但路徑稍微向左偏了一點(diǎn)?，F(xiàn)在的問(wèn)題是，光為什么在進(jìn)入玻璃之后會(huì)減慢？為何離開(kāi)后又開(kāi)始加速？
兩種常見(jiàn)解釋
我們可以在互聯(lián)網(wǎng)上找到兩種非常常見(jiàn)的解釋，但它們是完全錯(cuò)誤的。
第一種解釋雖然是錯(cuò)誤的，但是它確實(shí)有道理，它是關(guān)于光穿過(guò)玻璃時(shí)被粒子散射的想法。當(dāng)光擊中玻璃中的一個(gè)粒子時(shí)，它會(huì)被散射成另外一個(gè)角度，從而繼續(xù)撞擊另一個(gè)粒子，并繼續(xù)散射成不同角度。光在粒子之間總是以光速C傳播，但是當(dāng)光穿過(guò)玻璃時(shí)，這個(gè)過(guò)程一次又一次地發(fā)生，此時(shí)光所經(jīng)過(guò)的路徑就會(huì)比直線傳播時(shí)更長(zhǎng)，而在宏觀上我們將看到它通過(guò)直線距離需要更長(zhǎng)的時(shí)間，也就是光會(huì)表現(xiàn)得更慢。
那么我們?cè)趺粗浪清e(cuò)的呢？散射并不是一個(gè)精確的過(guò)程，光可以從許多方向散射。它可能會(huì)有一個(gè)更嚴(yán)重的散射，產(chǎn)生一個(gè)比實(shí)際更長(zhǎng)的傳播路徑，因此在這種情況下，玻璃中的光速會(huì)比實(shí)際慢得多。此外，無(wú)法保證光最終會(huì)與入射方向平行射出，也就是說(shuō)就不能遵循我們所觀察到路徑。相反，它們會(huì)以不同的速度和不同的角度從玻璃中射出。
第二種解釋是，光在原子之間仍然以光速C傳播，然而光被原子吸收和重新發(fā)射需要耗費(fèi)時(shí)間，這有效地使光看起來(lái)變得更慢。這個(gè)想法非常聰明，但它仍然是錯(cuò)誤的。問(wèn)題出現(xiàn)在，當(dāng)一個(gè)光子被原子所吸收時(shí)，該原子并不會(huì)記得原來(lái)光子的入射方向，因此當(dāng)它重新發(fā)射光子時(shí)，它可以向四面八方發(fā)射。最后，光通過(guò)玻璃的通道看起來(lái)是模糊一片的。
更好的解釋方法
以上兩個(gè)想法都不能很好地解釋光變慢的原因，因?yàn)樗鼈兌及压猱?dāng)成粒子來(lái)看待。然而，如果我們用光波的想法，就能更好地說(shuō)明光在材料中變慢的原因。
波有許多屬性，其中最重要的一個(gè)屬性是波長(zhǎng)，第二個(gè)重要的屬性是所謂的疊加。如果兩個(gè)相同的波排成一列，使波峰波谷在同一位置，則兩個(gè)波疊加起來(lái)的結(jié)果是一個(gè)更高波峰的波。如果是波峰對(duì)著波谷，那么疊加之后波就消失了。如果兩個(gè)波的波長(zhǎng)不一致，疊加起來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)一些不同的形狀。
現(xiàn)在，如果一個(gè)波靜止，另一個(gè)波相對(duì)于它移動(dòng)時(shí)，那么它們疊加之后的波也會(huì)進(jìn)行移動(dòng)，但移動(dòng)的速度變慢了。這一點(diǎn)是我們解釋光變慢的重要概念，可以通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算進(jìn)行證明。
光是一種電磁波，當(dāng)它通過(guò)玻璃時(shí)，玻璃中的電子會(huì)感受到電磁波的振蕩，也跟著產(chǎn)生微小的振蕩，從而產(chǎn)生也建立了自己的振蕩的電場(chǎng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光的振蕩電場(chǎng)使電子運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生第二個(gè)振蕩電場(chǎng)。兩個(gè)振蕩電場(chǎng)就是兩個(gè)振蕩波，最終結(jié)果是這兩個(gè)波疊加形成一個(gè)波，根據(jù)上述的重要概念，新和成的電磁波的移動(dòng)速度要比光速C更慢。當(dāng)光射出玻璃之后，由于沒(méi)有了電子產(chǎn)生的電場(chǎng)的疊加，光又開(kāi)始恢復(fù)了以往的速度。
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