光速在真空中是没有变化的,它是一个物理常数,但是在不同介质中光速会有所“变化”。在光的传播过程中,若经过如水、空气、玻璃等非真空的介质,光速就会“降低”。其实光速没有变化,这只是一种延时现象。本文将为您详细介绍。
什么是介质?
简单点说就是传播中经过的物质,如水、空气、玻璃等等。光传播途中,当经过这些非真空的介质时,光速就会降低。在玻色–爱因斯坦凝聚这种介质中,光的速度可以降至每秒数米。并且,一个极端是在铷的玻色–爱因斯坦凝聚这种奇异介质中,光的速度“完全停止”。然而,光在介质中的降速,纯粹是因为光在原子间被吸收后再辐射的延时效果。
即使没有材料介质,真空也能够令诸如光,无线电波等电磁波传输。虽然电磁波不需要材料物质传播,但是这种波通常受它们所经过的介质影响,例如在通过吸收或通过介质界面处而发生反射或折射。
在介质中,光的传播速度通常不等于c;此外,不同类型的光波将以不同的速度传播。平面波(填充整个空间的波,只有一个频率)的单个波峰和波谷传播的速度称为相速度vp。具有有限范围的实际物理信号(光脉冲)以不同的速度传播。脉冲的最大部分以群速度(Group velocity)vg传播,其最早部分以波前速度(Front velocity)vf传播。
实线是波包,虚线是波包的包络。当波包传播于空间时,包络是群速度。图:Oleg Alexandrov
相速度对于确定光波如何穿过材料或从一个材料到另一个材料是很重要的。它通常用折射率表示。材料的折射率定义为材料中c与相速度vp的比率:较大的折射率对应着较低的速度。材料的折射率可能取决于光的频率、强度、偏振或传播方向;然而,在许多情况下,它可以被用于与材料有关的常数。空气的折射率约为1.0003。较稠密而深的介质,如水、玻璃、和金刚石,对应于可见光的折射率分别约为1.3、1.5和2.4。