光真的变慢了吗？怎么证明？

光真的变慢了吗？怎么证明？

早在 1851 年，法国物理学家阿曼德·斐索就已经用干涉仪证明了光经过介质会慢下来。

但“慢”这个字其实有三层意思【速度变慢】、【距离变长】和【时间变长】。

目前学术界有 3 种看类合理的方法解释“光慢”现象：

第 1 种.光在介质中受到了阻力，所以导致了光的速度变慢。

在我们的日常生活中，人走在水中会感受到阻力，所以行走速度会变慢。这个例子经常用来解释光在水中变慢的现象当光经过水时,会受到水的阻力。受到阻力的光经历了能量损耗导致了光的动能变小。光的动能越小，光的速度就越慢，所以光经过介质时会慢下来。

然而，这种说法存在三个问题。

问题 1，光会受到阻力吗?我们先不论阻力这个概念是否适用于光，如果光真的会受到阻力，那么光速应该在同一个介质中越来越慢，直到光停下来。

问题 2，就算光受到了某些特别的阻力，不会导致光变得越来越慢直到停下来。那为什么光离开介质时会继续以光速传播?光究竟通过什么方法重新获得已损耗的能量?

问题 3，就算光能通过某些机制重新获得已损耗的能量，那为什么光的能量变化会改变光速，而不是改变频率和波长呢?举个例子，在康普顿散射中，光子会损耗一些能量，并导致光的波长变长、频率变低。然而，光子的速度并没有因能量损耗而减小，改变的是依旧是光子的波长和频率。很显然，光在介质中受到介质的阻力而慢下来这种说法是错误的。

可能这时候还是有人想用高中物理来反驳:介质密度越大折射率就越大，光速就越小，这不就是支持“阻力说”的有力证据吗?确实，介质密度越大，介质内的原子就越多，折射率就越大。但是这只是对同一种介质而言的。你如果尝试对比两种不同的介质，就能发现问题所在了。举个例子，水和油的密度分别为 1 000kg/m3 以及 900kg/m3 ,而水和油的折射率分别为 1.33 以及 1.44。不难看出，水的密度比油大，但是水的折射率反而比油小。这意味着光有可能在密度比较小的介质中反而传播得比较慢。

所以，对于不同的介质，介质的密度与光的传播速度并没有直接的关系。因此，光在介质中受到了阻力并导致光的速度变慢这种说法是不正确的。

第 2 种.光在介质中的原子之间发生散射，导致光传播的实际路线变长，所以看起来光速变慢了。在这个散射的过程中，光的传播速度依日是光速。

这种说法存在两个问题。

问题 1，如果光在原子之间散射，那么光的散射方向会非常多，这就会导致光在折射后应该是散开的，而不是聚集的。然而，我们在折射实验中所观测到的光是聚集的。很显然，这与实际观测不符。

问题 2，在散射过程中，每条传播路径都不一样长。

这将会导致不同路径的光以不同的时间离开介质。不过，光散射的现象确实是存在的。比如我们在空气中从侧面看不见激光，在水中却能从侧面看见激光。因为激光会在水中发生散射，所以激光才能到达我们的眼睛。不过，散射现象不能用于解释为什么光经过介质时会变慢。

第 3 种，光子经过介质时，被介质中的原子不断地吸收和发射，导致光经过介质时发生了延迟，所以看起来光速变慢了。在这个吸收和发射的过程中，光子的速度依旧是光速 c，没有被改变。

请试着思考下，如何用已学知识论证第 3 种说法，欢迎评论区留言。

你也可以阅读《解析物理的十层之旅》获得。

本书阅读感受如下：

1.打破学习物理的刻板印象

本书胜在文本富有创意，作者以“升级”的模式重新梳理了物理认知史，给读者一种打怪过关的爽感。

书中光与物质的基本概念出发，以中学物理为起点，用层层递进的方式，直观呈现了“科学概念”构建过程。如，书中提到的以下主题↓

对光的十层理解

对质量的十层理解

对原子的十层理解

2.一趟有趣的实证科学之旅

怎么将老生常谈的主题讲的有趣？用已学知识证明物理中的假设？

如，光为什么会变慢？如何证明？

书中作者引用洛伦兹的一个震荡模型来解释光与物质的相互作用，读着耳目一新。

3.当你在经典科普著作中四处碰壁

物理学家玻尔曾经说过，“物理学不告诉我们世界是什么，而是告诉我们关于世界我们能够谈论什么。”

当你试图从课本中枯燥的定理中短暂逃离，想弄明白时间、宇宙、生命、粒子、黑洞等浩瀚命题。生活离物理很远，但又好像很近。科学家的答案高深如《时间简史》，凝练如《七堂极简物理课》，诗意如《时间的秩序》……

当你在经典阅读中四处碰壁，不如以本书为起点，开始你的宇宙冒险之旅。