光如何减慢下来？

By Paul Sutter

2023/7/26

Science & Astronomy

减慢光并不像听起来那么容易。

从来好奇过光当穿过一种物质时怎样减慢速度吗？ (Image credit: Diane Keough via Getty Images)

光随它穿过一种像玻璃或空气一样物质减慢下来的现象是物理学中最迷人的领域之一，涉及一种光与物质之间的复杂相互作用。有三种方法来观察同一情况，每种方法都采用一种不同的物理学理解。

第一种观点：它全是波

第一种观点来自19世纪发现了电和磁的一个统一理论的苏格兰物理学家、全能天才詹姆斯·克拉克·麦克斯韦尔（James Clerk Maxwell），他还发现光由电波和磁波组成。

当这些波遇到一种像玻璃或水一样物质时，它们看到一大堆带电的粒子。物质中的分子由原子组成，原子有质子和电子------都是带电粒子。而带电粒子通过与它们一道摆动响应经过它们的电磁波。

但移动的带电粒子也创造它们自己的电磁波。结果是一个巨大的混乱，原始的电磁波与物质中所有被带电粒子产生的波（而且有很多）干扰。值得庆幸的是，除了在光的原始方向中旅行的波之外，大多数波彼此抵消掉。但因为被粒子产生的波有点延迟，整个集合更慢的移动。

最终结果：光更慢移动。

第二种观点：光全是粒子 

光是由叫光子的微小粒子组成的。. (Image credit: DrPixel via Getty Images)

麦克斯韦尔的理论是一个辐射的经典图片。如今，我们有一个基于量子力学的远更复杂的观点，其中光是由无数的叫光子的微小粒子组成。光子能单独的行动，但当足够多的光子被一起聚集时，它们显示像电磁波一样的相同的属性。

一个光子与物质相互作用的完全的量子处理能变得非常讨厌的，但值得庆幸的是，我们有一种由著名物理学家理查德费曼开发的来指导我们通过它的方法。我们能想象入射光的所有光子都撞进物质。一旦在里面，它们开始与所有带电粒子相互作用。

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这些带电粒子能吸收这些光子并发射它们自己的，因为这就是带电粒子做的。但这些光子有点不同。在物理学中，它们被称为虚拟光子。

请记住，光子能做两件事：它们能自由的穿过宇宙漫游，作为独立的实体存在（这是光），并且它们做调解电磁力的跑腿工作（就像把持一个磁铁到一个冰箱上的力一样）。但这些光子不能自由的漫游，它们有一个要做的工作。因此我们叫它们为“虚拟的”光子------它们只在我们的数学中存在来帮助我们解释电磁力。

因此，所有这些带电粒子开始发射大量的虚拟粒子，再一次有一个巨大的、令人困惑的混乱。费曼前来救援。他开发了一种平均出这些光子能采纳的所有可能路径的技术。这种平均过程消除所有任性的光子，只留下在光的原始方向中旅行的光子。但所有这些相互作用以一个代价而来：一个电子来吸收和重新发射一个光子要用的时间，而这些延迟都加起来。

最终结果：光更慢的移动。

第三种观点：全是偏振子

到目前为止，我们已经集中在光的属性上，通过一个基于粒子的镜头和一个基于波的镜头观望它。但这种物质不止是一个简单的带电粒子的只是做凡是电磁上被命令要做的的集合。

物质也能是有趣的。特别的，所有物质都能支持振动------小的振动、大的振动、持续很长时间的振动、迅速的消失的振动。所有物质正在恒定的运动中，这种运动影响该物质怎样与另外的一切相互作用。为了帮助物理学家掌握各种恒定的竞速过物质的振动的复杂性，他们提出了一种叫一个声子的实体。

一个声子是另一种假粒子，但像虚拟的光子一样，它是非常有用的。它允许物理学家来用量子力学的语言来描述一种物质中的振动。当由光子组成的光进入那种物质时这种新语言会在手中方便的。

当光子和声子聚在一起时，它们创造某些新的东西：一种偏振子。在这种观点中，当光进入一种物质时它消失。物质本身中的声子也如此。相反，它们被偏振子取代。这些偏振子共享它们的父母的很多属性，但它们有一个至关重要的属性：它们比光速更慢的旅行。

该速度依靠物质（声子）的属性。在这种观点中，不是光正在穿过一种物质有这种物质响应它，而是一个新的物体、一个偏振子正在穿过。这个观望是特别有用的，因为在许多情况下，很容易来抛弃所有繁琐的冲突波或反弹光子的数学只处理一个已经编码你需要的所有信息的直接的、简单的实体。

光进入，一个偏振子旅行穿过和光出去。

最终结果：光更慢的移动