光的传播不需要介质，那为什么光在不同介质中传播速度不同呢？
2024-11-19 阅读 172
更新于 2024年11月21日
光的传播不需要介质，但当光在不同介质中传播时，其速度会有所不同。这是因为光在介质中传播时，会与介质中的原子或分子发生相互作用，这些相互作用会影响光的传播速度。
光的本质光是一种电磁波，由电场和磁场的振荡组成。根据麦克斯韦方程组，电磁波可以在真空中传播，而不需要任何介质。麦克斯韦方程组可以表示为： \nabla\cdot\bold E=\frac\rho{\epsilon_0}\\\nabla\cdot\bold E=\frac\rho{\epsilon_0}\\ \nabla\cdot\bold B=0\\\nabla\cdot\bold B=0\\ \nabla\times\bold E=-\frac{\partial\bold B}{\partial t}\\\nabla\times\bold E=-\frac{\partial\bold B}{\partial t}\\ \nabla\times\bold B=\mu_0\bold J+\mu_0\epsilon_0\frac{\partial\bold E}{\partial t}\\\nabla\times\bold B=\mu_0\bold J+\mu_0\epsilon_0\frac{\partial\bold E}{\partial t}\\其中 \bold E\bold E 是电场，\bold B\bold B 是磁场，\rho\rho 是电荷密度，\bold J\bold J 是电流密度，\epsilon_0\epsilon_0 是真空介电常数，\mu_0\mu_0 是真空磁导率。
光在真空中的传播速度在真空中，电磁波的传播速度 cc 可以表示为： c=\frac1{\sqrt{\mu_0\epsilon_0}}\\c=\frac1{\sqrt{\mu_0\epsilon_0}}\\
其中 \mu_0=4\pi\times10^{-7}\ \text{H/m}\mu_0=4\pi\times10^{-7}\ \text{H/m} 和 \epsilon_0=8.854\times10^{-12}\ \text{F/m}\epsilon_0=8.854\times10^{-12}\ \text{F/m}，代入可得：c\approx299,792,458\ \text{m/s}\\c\approx299,792,458\ \text{m/s}\\
光在介质中的传播速度当光进入介质时，介质中的原子或分子会对电磁波产生响应，导致光的传播速度降低。介质的折射率 nn 定义为： n=\frac cn\\n=\frac cn\\其中 vv 是光在介质中的传播速度。折射率 nn 可以表示为介质的相对介电常数 \epsilon_r\epsilon_r 和相对磁导率 \mu_r\mu_r 的函数： n=\sqrt{\epsilon_r\mu_r}\\n=\sqrt{\epsilon_r\mu_r}\\对于大多数介质，\mu_r\approx1\mu_r\approx1，因此： n\approx\sqrt{\epsilon_r}\\n\approx\sqrt{\epsilon_r}\\
光与介质的相互作用当光进入介质时，介质中的原子或分子会吸收和重新发射光子，这个过程导致光的相位延迟。相位延迟可以通过介质的复折射率 \overset\sim n\overset\sim n 来描述： \overset\sim n=n-i\kappa\\\overset\sim n=n-i\kappa\\其中 nn 是实部，表示折射率，\kappa\kappa 是虚部，表示吸收系数。复折射率反映了介质对光的吸收和色散特性。
光的色散不同频率的光在介质中的传播速度不同，这种现象称为色散。色散可以通过介质的折射率随频率的变化来描述。折射率 n(\omega)n(\omega) 可以表示为： n(\omega)=n_0+n_2\omega^2+\cdots\\n(\omega)=n_0+n_2\omega^2+\cdots\\其中 \omega\omega 是角频率，n_0n_0 和 n_2n_2 是常数。
为了更好地理解光在不同介质中的传播速度，我们可以编写一个简单的Python脚本来计算不同介质中的光速。
import numpy as np
# 定义常数
c = 299792458 # 光速，单位：m/s
mu0 = 4 * np.pi * 10**-7 # 真空磁导率，单位：H/m
epsilon0 = 8.854 * 10**-12 # 真空介电常数，单位：F/m
# 定义介质的相对介电常数
epsilon_r_air = 1.00058986 # 空气
epsilon_r_water = 80.1 # 水
epsilon_r_glass = 2.25 # 玻璃
# 计算介质的折射率
n_air = np.sqrt(epsilon_r_air)
n_water = np.sqrt(epsilon_r_water)
n_glass = np.sqrt(epsilon_r_glass)
# 计算光在不同介质中的传播速度
v_air = c / n_air
v_water = c / n_water
v_glass = c / n_glass
# 输出结果
print(f"Light speed in air: {v_air:.2f} m/s")
print(f"Light speed in water: {v_water:.2f} m/s")
print(f"Light speed in glass: {v_glass:.2f} m/s")光的本质是电磁波，可以在真空中传播而不需要任何介质。当光进入介质时，会与介质中的原子或分子发生相互作用，导致光的传播速度降低。介质的折射率决定了光在介质中的传播速度，而折射率又与介质的相对介电常数有关。光在不同介质中的传播速度不同，这是由于介质对光的吸收和色散特性所致。这些理论和技术为光学和电磁学的研究提供了重要的基础。
光的本质是电磁波，电磁波的本质是变化的磁场生成变化的电场，变化的电场又会产生变化的磁场循环往复。
所以可以在真空中传播。
当通关介质的时候中间多了一步。
变化的磁场或者电厂，能量被原子吸收，让原子重新产生电磁波，重新释放能量。
而且新生成的电磁波是很多的原子产生的电磁波互相衍射的一个结果。所以光的传播就会慢下来。
光的传播不需要介质这话有问题。光是振动，没有媒质的振动是不会发生的，光波的媒质不是现实世界里的大物质，尽管原子核内部有很大的空档可供光媒粒子自由活动，但大物质的原子电子结构对光的传播会有影响。物质结构的不同，光波受阻也会不同，在光波穿过不同结构的物质时，速度就会有所不同。大物质不是光媒质，光媒存在于物质内部，原子核也不例外。但不同的物质结构，光波传播阻力不同，传播速度就会些许有差异，具体反映在光折射率这个参数上。
光的产生是粒子在跃迁时释放的能量，是空间的一种震动，粒子就像挂在空间网格弦上的小球，当从一根弦跳到另一跟弦时，就拨动了空间的弦，这根弦就震动起来并向远方传播开去，这个传播的速度是弦的基本参数。
这就好像大学的小组任务，明明你一个人就可以完成，但还是给你分配了组员，结果组员在旁边唧唧歪歪反而降低了你的工作效率
