Question

光子在任何介质中运动时的速度都是光速吗？

Answer 1

（一）光在介质中的平均传播速度小于真空中的传播速度。牛顿认为光的本质是一种微粒，是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，在光子进入介质时由于受到介质引力作用因此光在介质中的传播速度大于光在真空中的传播速度。惠更斯则坚持认为光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种特殊的叫做“以太”的弹性媒质来传播，惠更斯认为光在水中的速度小于在空气中的速度，这与牛顿的看法正好相反，由此导致了物理学史上著名的微粒说与波动说之争。1850年，法国科学家傅科采用旋转镜法测量了光在空气和在水中的速度，差不多和菲佐在同一时期首创了在实验室测定光速的方法。1862年傅科改进了原有的实验装置，加装了一套推动圆周屏的轮系统，以便准确量度旋转镜的旋转速度，又使光经过几次反射，加长了光经过的路程，以便准确量度光经过此路程的时间，由此测得光在空气中的速度为289000千米每秒。由于实验证明光在介质中的传播速度小于真空中的传播速度，光的微粒说普遍被人们抛弃，波动学说被人们认可。
　　　既然光在介质中的传播速度小于真空中的传播速度，那么，我们支持的微粒说该如何解释光在介质中的传播速度小于真空中的传播速度呢？光可以从真空中射向介质，同样可以从介质中射向真空，光在真空中的传播速度为C（最大），而光在介质中的传播速度小于C，最大难点在于如果一束光在介质中以0.8C传播，此时光从介质中进入真空则光速度会突然增大到C，传统微粒理论无法解释光子从介质到真空中速度突然增大的原因，因为没有任何力的作用使光子突然加速，自然也就无法解释光子在进入介质－真空－介质过程中速度反复变化的现象，实际上这是我们对光子内部结构及光子与原子中电子的作用过程不了解造成的。
　　　（二）光在介质中的传播速度与真空中的传播速度相同。看到这里有人会骂我们标题党，因为他们认为实验已经证实了光在水中的传播速度小于光在真空中的传播速度，我们还在这里提出相反的观点就该被骂，我们强烈建议有关人士花两分钟时间看完下面的论述再喷。
　　举一个简单的例子，在一条长度为1000公里的公路上公交车和出租车都以相同的速度每小时60公里行驶（这个速度相当于光在真空中的传播速度为C），在这条公路上每1公里设有一个车站（车站的密度相当于介质中原子的密度），出租车在每站的停留时间为1分钟，公交车在每站的停留时间为5分钟（因为公交车上下车的人比较多需要的时间就长）。则以相同速度走完这1000公里公路出租车所用时间少于公交车所用时间，也就是说出租车的平均车速大于公交车的平均车速。但实际上，公交车和出租车的速度是相同的都是每小时60公里，只不过公交车在每站停留的时间较长从而使其平均车速较慢，出租车在每站停留的时间较短从而使其平均车速较快。
　　与之类似，光子在真空中和介质中的传播速度都是C，只不过光子在真空中传播时没有与原子作用，所以其平均速度始终为C；而光子在介质中传播时会不断与介质中的原子发生碰撞，光子与原子从碰撞到分离是需要一定时间的（就像公交车出租车到每站都要停留一段时间一样），所以造成光子在介质中的平均传播速度小于C。这里我们提出了光子在介质中的平均传播速度这个概念，平均传播速度和光子在介质中的传播速度是两个概念，平均传播速度永远小于传播速度。光子在介质中的传播速度永远和光子在真空中的传播速度是一样的，只不过平均传播速度考虑了光子与原子从碰撞到分离需要的时间（作用时间），所以平均传播速度永远小于传播速度。
　　光子和原子的作用时间指光子与原子从相遇到分离所需要的时间。光子在介质中的传播中会多次遇到介质中的原子（就像公路上的车站一样），光子遇到原子就会短暂停留一小段时间，光子在行进的路程上不断与原子作用(结合)--分离、传播极小距离后再与原子作用(结合)--分离，这一过程不断重复，造成光子在介质中的平均传播速度小于光子在真空中的传播速度。而实际上光子在介质中的传播速度和光子在真空中的传播速度是一样的，都是C。光子在介质中的平均传播速度主要取决于光子与原子的作用(结合)时间长短，光子与原子作用(结合)时间越长则光子在介质中的平均传播速度越小。
　　（三）不同光子在同一介质中平均传播速度不同的原因。我们知道，对于处于原子核静电引力束缚状态下的电子而言，它是处于“饥饿状态”的，此时电子结合光子的欲望较强，光子与电子结合后，电子既可能受到远离原子核的扰动作用也可能受到靠近原子核的扰动作用，光子的能量越大对电子的扰动作用越明显，光子和原子的相互作用时间也越长。
　　打一个不恰当比方，若设电子在离原子核500个长度单位的轨道上绕原子核运动，与能量是80个能量单位的光子相遇，如果光子对电子的扰动作用是指向原子核的，则电子就会在这个作用下开始靠近原子核最终电子运动到离核460个长度单位的轨道上（电子向着原子核运动了40个长度单位），此时由于原子核静电引力撕裂作用大于电子内部的凝聚力，电子就会“裂变”重新放出光子80个能量单位的光子并获得反冲重新回到离核较远的稳定轨道上，从而并避免了被原子核静电引力拉入原子核。若同样的电子与能量是150个能量单位的光子相遇，并且光子对电子的扰动作用同样是指向原子核的，则电子就会在这个作用下开始靠近原子核最终电子运动到离原子核410个长度单位的轨道上电子向着原子核运动了90个长度单位），电子运动到这里时由于迅速增大的原子核静电引力撕扯作用大于电子内部结合力，电子就会在这里“裂变”重新放出光子。这里我们看到，80个能量单位的光子使电子向着原子核运动了40个长度单位后就与电子分离，而150个能量单位的光子使电子运动了90个长度单位才与电子分离，显然能量越大的光子和电子的作用时间越长，相当于能量越大的光子和介质中原子的作用时间越长，于是在宏观中就表现为能量越大的光子在介质中的传播速度越小。例如，红光在介质中的传播速度就大于紫光。