我們都知道

光速

在

真空中是C

，我們也知道光在

穿過介質

時會發生折射，

光速會發生改變

。那麼我的問題是：

光線的折射機理是什麼？光速為什麼會發生改變？光子在這個過程中發生什麼變化?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時

速度和能量

就不會發生改變。

首先我們要了解下是什麼導致了光在穿過密度更大的介質時發生折射？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，突然前方出現了泥濘的小路，他們必須斜著穿過泥濘的區域（

代表光線斜射進介質中

），同時又要待在一起，以直線的方式行進，就會出現

如下圖所示的情形:

如果你仔細觀察，第一個進入泥地計程車兵會

減速

，而他右邊和後邊的同伴仍在人行道上全速前進。這種速度上的相互差異導致了每列每排計程車兵發生

相對位移

造成彎曲，最終整個隊伍都沿著彎曲的路線前進，

造成了折射

。同樣的事情也會發生在一束斜穿進介質的光子上。這時你肯定產生了一個問題第一個士兵為何要減速？

下一個邏輯問題是——為什麼進入介質的光速會改變？

對於士兵來說，最基本的特性決定了士兵在特定地形上的運動速度，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後推，因此根據牛頓第三定律，地面的反作用力就會減小，這就導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到密度高的介質時速度會下降的原因，

我們就需要理解光是如何產生和傳播的。

我們已經知道光是一種電磁波。

那麼電磁波是如何產生的呢?

我們還記得小學時候的電鈴吧，在電鈴的內部，線圈繞在鐵芯上，當變化的電流透過線圈時就會產生變化的磁場，變化的磁場以很高的頻率吸引鐵錘（我具體不知道叫什麼，尷尬！）這時我們就放學回家了。

因此

電場(E)

的變化會產生一個

瞬態磁場(B)

同樣地，在發電機內部變化的磁場會產生變化的電場，俗話說的好：磁生電，電生磁，電磁感應馬達轉。。。。。！

所以變化

磁場(B)

可產生

瞬態電場(E)

現在，我們已經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生一個瞬態的高頻振盪電場——我們就得到了光 ！

快速變化的磁場/電場將反過來產生另一種形式的相應分量。所以，電場產生磁場，磁場進一步產生一個電場，這就是

光傳播的方式。下圖：

但是，是什麼決定了光速呢？

現在讓我們想象一下輕輕地把一塊石頭扔到水裡，就會產生漣漪向四周擴散，這些漣漪以水特有的速度向外運動，而幾乎與石頭的

投擲速度

無關。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

。

現在，我們讓光透過某種介質。在介質中

電子圍繞原子核旋轉

，從而產生

磁場

。當光穿過介質時，

它會干擾電子的場系統

，這就造成了光傳播的滯後，光的傳播速度就會下降。實際上，介質中的光子，還會與

電子

發生相互作用，由於

電子受到光的干擾

，於是開始與經過的光波，同步產生額外的電磁波。

這兩種波相互作用並相互疊加

，形成了穿過該介質的

新光波

。但是，由於這種新光波是

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

大於或小於原始光波的速度

！

它甚至可以超過光速本身。

這是因為，我們所討論的速度並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：光子只有在與物質相互作用時才會表現出粒子的行為，而且光子不攜帶任何動能，因為它們沒有質量。因此，所有的能量本質上都存在於光子的電磁波動中，這種能量被定量地定義為普朗克常數乘以它們的頻率。

當

光子與物質碰撞時

，正是這種電磁波動的能量被相容的電子吸收。光子在被吸收之前並不會失去能量。因此，

當光子穿過透明介質時，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相互作用，只與場發生相互作用。但是，在穿過介質時光的

電磁波動

會受到一些阻力，光波振盪越快，光的頻率越高，電場和磁場的振盪頻率也越高，它與材料中電子產生的固有場的相互作用

越強

，光束透過材料介質時所

面臨的阻力越大

，其速度下降越大，透過介質時

彎折越大

，介質的折射率隨特定光波的折射率的增大而增大。

這就是三稜鏡能分散不同頻率光的原因。

簡而言之，我想說的是，當我們討論

光波

透過

物質介質

的速度時，我們討論的是由原始光波構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，介質內部的光基本上是

波的總和

，這就是

光的速度

發生變化的原因。而單個光子保持不變。

換句話說，當兩種或兩種以上的波結合時，所產生的波具有以下基本性質:

“相速度”：波的相位運動的速度。

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恆定相位點的推進速度。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”：包絡波運動的速度。

群速度的定義是包絡波上任一恆定相位點的推進速度。

這是討論介質中的光速時所考慮的速度。

現在，仔細觀察下圖的

合成波

（由兩個不同頻率的波疊而成的），應該能夠看到，雖然波（相位）實際上是向後傳播的，但是它的波包或“群”是向前傳播的！

所以，當一個

高頻波

（這裡指光波）和一個

低頻波

（由電子產生的波，由於某種慣性，不能以光的頻率精確的振盪）疊加在一起時，所發生的是低頻波調製了高頻波的振幅，從而負責形成

外包絡線

，但是波的

實際頻率(內包絡線)

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動

（這就是為什麼光穿過玻璃時顏色不會改變），但

內外包絡線

以不同的速度運動，這就是造成光速混亂的罪魁禍首！！

要想精確的解釋其中的種種原因確實很複雜，需要解決量子力學中的長而複雜的方程，臣做不到！我想這是我們關於光穿過介質為什麼會減速以及光子為何速度不變最簡單的解釋。