光為什麼是光速（光為什麼會發生折射）

2023-06-30 07:54:43 4

在我們司空見慣的許多現象背後，經常會隱藏著深刻的科學道理，前幾天我們通過《固體透明的科學原理》和《為什麼水看起來是透明的？》兩篇文章從量子學的角度討論了光在固體和水中是如何傳播的，今天我們將繼續討論在這些透明的介質中為什麼會發生光的折射，以及光速為什麼會減慢。

光在三稜鏡中的折射

小時候，我們經常會對杯子裡的筷子或吸管被光線「折彎」感到很好奇，當我們踏入小河時也會驚訝地發現那些看起來很淺的溪水其實有齊腰深。到了初中，我們通過物理課初步了解到那是因為光在水中發生了折射，而在高中階段我們會利用光的折射定律來計算光的折射角度。

水中的鉛筆因為光的折射而「彎折」

但絕大多數人對於光的折射是只知其然而不知其所以然的。光為什麼會發生折射？光在進入介質後會一直轉彎嗎？為什麼不同介質的折射率會有不同？它與光速有什麼關係？對這些最根本問題的微觀解答，很多都只在大學物理課程甚至在量子物理學中才會涉及到。

今天我將嘗試用最通俗的語言來為你解開謎題，找到科學的答案。

鑑於這是篇科普文章，因此我不會展示那些燒腦的公式，試圖僅用文字和圖片來把問題講明白。儘管如此，本文有些地方還是會顯得晦澀，你可以從大標題、粗體字以及最後的結論來進行了解。

由於光在晶體中的傳輸還涉及聲子耦合振動，它的折射情況很複雜，所以本文只涉及水和玻璃等各向同性透明介質的分析。

下面進入正題。

在之前的文章中，我們已經介紹了光的波粒二象性原理。鑑於光的物理性質是其折射現象的前提，本文將再次強調。

2004年，科學家首次成功拍攝到可見光的單個波形圖像

一、光是一種輻射，宇宙中幾乎一切物體都對外輻射，包括我們人體本身也會發出紅外光，我們可以貼近感覺到紅外光的熱，卻不能直接看見它；

二、光是粒子，同時也是電磁波，光同時具有粒子和電磁波的雙重特性，光與無線電波其實是一個東西，只是名字不同而已；

三、光具有能量，光是由無數個光的能量子相互疊加，這些能量子有各自的頻率和波長，不同頻率和波長的光子會表現出不同的顏色；

光譜簡圖

四、我們人眼看到的光只是波長為380～780nm、頻率範圍大約為4.2×10^14～7.8×10^14Hz區間所有光能量子的組合，我們稱之為可見光，它在整個宇宙光譜中只是很小的一段。人體發出的紅外光就是不可見光；

五、光速不變原則的前提是光在真空狀態下速度不變。

我們在之前的文章中討論過，光在固體和液體中是通過激發原子中的電子釋放光波來進行傳輸的。其中用到了這樣一張圖片：

躍遷回到正常軌道的電子釋放光子的角度是隨機的

用心的小夥伴們也許已經注意到了，這個被激發出來的光波具有方向性，實際上，光波的方向本來是不確定的，沒有什麼規定光波必須向前走直線，而不是向左、向右、向後、或者向上偏移N度角，為什麼我們看到的光相對於它的入射角度會有一個確定的折射角呢？

光在介質中傳播的本質是散射。也就是說，在介質中被激發的電子會在其回落到正常軌道時向各個方向發射光子，但最終只有一個方向的光會「倖存」下來。

我們知道，光是電磁波，光的速度包含三方面：相速度、群速度和波前速度，其中光的波前速度就是光速，我們可以以下面的波形動圖來形象地解釋這三方面的關係：

光波示意圖，紅色點為波前速度，綠點為群速度，藍點為相速度

我們假設在水（均勻介質）中有一束c方向的電磁波，我們將它與c相垂直的平面作為同相位面。如果波前W同時經過水中W平面上的所有原子，這些原子的電子會與光量子耦合躍遷並激發出一批光子，這批光子同時也是波。由於激發的位置處於同一個面W上，所以被激發出來的光子在它們的原點也是同相位的。

均勻介質中電磁波相位分析

假設這些波疊加了一個與c軸成θ角（波前位於上圖藍色線）的平面波會怎麼樣？我們知道任何一個從平面W的原子a發出的子波a，在到達此波前時都會與原子b發射的子波b相位相差180˚，振幅相互抵消。子波a與子波b的相位相隔 λ/2*Sinθ，只有當θ=0˚時，子波b與子波a處於相同相位，二者才不會抵消。

有沒有被激發的子波向後發射？有，但這些子波會被另外一些後向的子波所抵消，這些子波並非來源於W面，而是來自於與W相距1/4波長的W'面：

向後反射的子波被相距1/4波長的反向子波抵消

小結：介質中的光波只會向前傳播，因為除了在介質中無數個平面向前散射的子波外，向其它任何方向散射的子波基本都被抵消掉了。

當光進入到介質時，光的能量子與介質的原子相遇，一部分光的能量子會激發電子躍遷到更高一個能級的軌道。同時，那些與光能量子耦合的電子會有回落到它原來軌道的趨勢，在向原來軌道躍遷的過程中，電子會衍射出一個光的子波。這個光的子波需要與入射的另一個子波相位相吻合，否則會被抵消掉。

我們知道電子被光能量子激發、與光能量子的耦合、向高一級能量軌道躍遷、再回落散射一個光波，這個過程是需要時間的，它釋放出的子波儘管與入射的光波相位的方向相同，但會稍稍拖慢一點點相位，使其與前一個光波疊加的波出現相位延遲，這種延遲並不是一次性的，當子波激發下一個原子的電子時，這種相位延遲會被疊加，並一直重複進行。當我們從外部測量光在介質中的傳播時，它表現出的就是光在介質中的速度變慢了。

光波在水中的傳遞

不同介質由不同性質的原子組成，這些原子的結構以及密度決定了其子波散射的密度及速度，所以光在不同介質中傳播的速度是有差異的。這個差異由介質的折射率來體現。

由於電子位移的大小與外加的電場成正比，不同頻率和波長的光所攜帶的能量不同，所以不同頻率的光在介質中傳播的速度不一樣，它們折射的角度也會不同。

前一節介紹了當光波到達介質表面時，它會激發電子產生一個子波，這個子波會以介質內部衍射。當入射光波傾斜於介質表面，與法線存在夾角時，在介質表面不同位置所產生的衍射波會因光能量子激發時間的不同所產生相位的差異而產生波前相互抵消。

最後不會被抵消的光波角度θ2與光的入射角度θ1存在以下關係（n為介質的折射率）：

Sinθ1 = n × Sinθ2

光的入射角與折射角

光的折射發生在介質表面極薄的過渡層中，這個過渡層大約在幾百到幾萬個原子的厚度範圍。在這個過渡層之後，入射光的能量全部被介質吸收，介質內只剩下相干的折射波，這個光波將相互疊加沿直線前進。

光的反射也發生在這一個過渡層中，我們前面介紹了在介質中存在許多反向傳播的散射，由於在過渡層中有一部分能量不能被完全乾涉相消，它們會以入射角相同的角度從法線的另一側逃出介質表面，從而形成光的反射。

光波是橫波，其電場強度與磁場強度相互垂直，且都與傳播方向垂直

由於光的折射與反射發生在介質表面0.1nm-10nm厚度的過渡層，所以自然光的折射光與反射光呈現部分偏振性，其中折射光中水平振動多於垂直振動，反射光中垂直振動多於水平振動。攝影愛好者經常會利用自然光反射的偏振性，在照相機鏡頭前使用偏振片來削弱多餘的反射光，從而使畫面更加清澈。

介質的折射率並非指它對所有頻率光的折射率， 標準折射率是對波長5893×10^-10m鈉黃光而言的，與之相對，頻率越高波長越小的光折射率越大，頻率越低波長越大的光折射率越小。

紫色光的折射率比紅光大，它更加彎曲

一、光在進入均勻介質後，因為通過不斷激發電子、能量躍遷、耦合、回落正常軌道釋放光波的過程進行傳播，從而拖慢了傳播速度。

介質的折射率（n）等於光在真空中的速度（c）與光在介質中傳播的速度（v）之比：

n = c / v

二、光在介質中沿直線傳播，這是由光波相干疊加造成的，向其它方向散射的光波絕大部分都被抵消掉了。

三、光的折射與反射都發生在介質表面極薄的區域，光的折射率與介質的原子組成有關，也與光自身的頻率有關，頻率高的可見光光波折射率也更高。

四、人類利用光在介質中折射與反射的物理性質製造了大量的光學器件，完成許多的檢測工作，這都是光的神奇所在。