在我们将近3000期的节目中，多次讲到和光有关的话题，早年间，还有两期非常硬的、专门讨论光的《阿光正传》，那知识水平不知道高到哪里去了。但是对于光，虽然讲了很多，它的有一些性质，我们却没有深入讨论，不仅如此，从学生时代一直到今天，这些性质我们似乎都认为这是不证自明的，就好比是欧几里得提出的五条公理。但物理学毕竟不同于数学，任何存在的现象，总要有合理的解释，今天我们就尝试解释一个现象，这就是光慢现象。
但你细想一下，光速变慢这件事，其实很不可思议。首先狭义相对论告诉我们光速不变，哪怕一辆火车以0.99倍光速前进，但是在一个静止的观测者眼中，火车头的灯光，它的传播速度依然是光速。其次对于任何物体来讲，速度的改变就意味着能量的改变，但是改变光的能量，只能改变它的频率和波长，光速还是不变。最后光子之所以被定义为零质量，其中一个原因就是因为它的传播速度是光速，是宇宙间最大速度，反过来讲，一个粒子如果有质量，那么它的传播速度就不可能达到光速。这就意味着，要想承认光子的速度变慢了，就必须承认光子经过介质时，通过某种机制获得了质量，但目前有没有发现这样的机制。
所以说改变光速是非常困难的，甚至是不可能的。但即便如此，区区一杯水、一块玻璃，竟然真就做到了。怎么解释这种诡异的现象？首先我要问你一个问题，什么是慢？这个问题听起来很无厘头，但是细想一下，其实包含很多的含义。就说黄博士早晨去上班，他每天都是7点准时出门，8点准时进公司，但是今天他8点半才到公司，然后老板就把他猛烈地批判一番，黄博士很委屈，说我今天也是7点准时出门，也不知道怎么就晚了，于是老板就说，那你今天怎么这么慢呢？那么请问，黄博士为什么变慢了？无非三种可能：一是遇到堵车，他的车速变小了；二是前一天晚上没睡好，迷迷糊糊走错路了，花的时间变长了；三是黄博士在中途下车拉了泡屎，耽误了半个小时。
而对于光慢现象来讲，学术界也有三种类似的解释。第一种说法认为，光在介质中受到了阻力，所以导致了光速变慢，就和黄博士堵车一个道理。乍一看，这个说法确实挺合理，就说我们在水里行走，那阻力是非常明显的，人是这样，光也应该差不多，它在介质中传播也会受到阻力，并出现了能量损耗，由此导致光的动能变小，动能越小，速度也就越慢。但是这个说法有两个问题。第一个问题是，就算光真的会受到阻力，那么它的行进速度就应该越来越慢，直到降为0，但真实情况并非如此，光在介质中的传播速度虽然会变慢，但它的速度依然是恒定的，不会走着走着突然就停了。第二个问题是，再退一步讲，就算光受到了某种非常特别的阻力，不会导致光变得越来越慢，可当它离开介质时，按理说就应该维持在介质中的速度，可真实情况是，离开介质的一瞬间，它还是会以光速传播，那么光究竟是通过什么方法，重新获得了已损耗的能量？所以阻力说是错误的。
说到这里，你可能就会把高中物理搬出来了，然后把我批判一番。因为高中物理告诉我们，介质的密度越大，折射率就越大，所谓的折射率，指的就是光在真空中的传播速度和它进入介质之后的传播速度之比。所以介质的密度越大，光的速度也就越慢，这不就是阻力说最好的证明吗？但要注意，这种现象只是针对同一种介质而言的，比如说刚才提到的水和冰，水的密度比冰大，光在水中的传播速度就要比在冰中更慢一些。可如果是不同的介质，那结果可就不一定了，比如说水和油，水的密度是每立方米1吨，油的密度是每立方米900千克，但是光在油中的传播速度，不论是什么类型的油，都是要小于每秒22万公里的。由此可见，对于不同的介质，介质的密度和光的传播速度之间，并没有直接的对应关系，阻力说还是站不住脚的。
再看第二种理论：散射说。该理论认为，光进入介质之后，会在介质中的原子之间发生散射，导致光的传播路线变长了，所以看起来光变慢了，不过在散射的过程中，光的传播速度依旧是光速。看起来也挺有道理吧，就和黄博士绕路差不多，但这种说法也有很大的问题。如果光在原子之间发生散射，那么散射的方向就会非常多，这就会导致光在进入介质之后是散开的，而不是聚集的。而且在散射的过程中，每条传播路径都不一样长，这会导致不同路径的光，以不同的时间离开介质。但是很显然，这与实际观测是不符的。当然实际上，散射现象确实是存在的，比如说激光，如果是在空气中传播，我们从侧面是看不到的，不过在水中却是可以看到的，这就是因为激光在水中发生了散射，并进入到我们的眼睛，但即便如此，刚才提到的本应该发生的现象，实际上还是没有发生，所以散射说也不靠谱。
第三种解释，是光子在进入介质后，会被介质中的原子不断地吸收和发射，这就导致光的传播出现了延迟，所以看起来就变慢了。这就和黄博士中途拉屎是一个道理，而在吸收和发射的过程中，光子的速度依然是光速。这个说法看起来也挺有道理，而且实验发现，光在介质中传播时，介质中原子的电子，会处于激发态一小段时间，这不就是原子吸收了光子然后又把它发射出去了么？不过这个说法也有问题。首先和刚才的散射一样，没有人可以保证被原子发射的光子，是朝着同一个方向的，如果光子发射的方向是随机的，那我们就不可能得到聚集的折射光。而且也没有人可以保证光子发射的时间都是一样的，如果时间是随机的，那我们就应该观测到光以不同的时间离开介质。
其次根据玻尔的原子模型，特定原子只能吸收特定波长的光。那我们想象这样一个场景，某种介质只能吸收蓝光，那么把一束光射进去之后，按道理讲，应该只有蓝光会发生折射，蓝光的速度会变慢，而其余的光则不受影响，该咋地还是咋地，是既不发生折射，速度也没有减慢，也就是说这束光进入介质之后，会发生明显的断层，但这和实际也是不符的。最后牛顿的色散实验告诉我们，不同频率的光有着不同的折射率，但问题是电磁波的频率越高、折射率就越大。也就是说，高能量或是高频率的电磁波经过介质时，传播速度会更慢，如果是原子吸收光然后又把它发射出去，为什么高能量的电磁波就会有更大传播延迟，原子为什么会对它们区别对待？这是解释不通的，所以第三种解释也是错误的。
以上所有这些内容，纯属凑合时间，或者说好听的，这叫正本清源。接下来我们就解释一下光慢现象到底是怎么发生的。我们知道，电磁波是由振荡的电场和磁场所组成，所以当电磁波经过带电粒子附近时，带电粒子也会随之发生振荡，并继续产生电磁波。根据麦克斯韦的电磁理论，带电粒子的振荡频率，和导致它发生振荡的电磁波，以及它新产生的电磁波，频率是相等的。光是一种电磁波，电子是一种带电粒子，这就意味着，光可以使得介质中原子的电子发生振荡，而振荡的电子会再次辐射频率相同的电磁波。进一步地，这个电磁波又会让下一个电子发生振荡，并辐射出电磁波。这个过程就这样一直循环，一直到光离开介质。所以这里面其实有两个级别的光，第一级光是电子接收到的电磁波，第二级光是振荡电子发出的电磁波。相比于第一级光，第二级光会有一小段延迟，所以两者叠加之后，波峰就会往后移一些，看起来就是光波变慢了。由于介质中的原子数量非常庞大，所以它所造成的延迟就非常可观，这就是光慢现象出现的真正原因。
不过问题到这里，其实还没有结束，你可能也会有疑问，为什么第二级光会有延迟？是因为电子感受到了电场之后，没有立即做出反应，是等了一会儿才开始振荡，还是说电子感受到了电场之后，立即做出了反应，但是反应了一段时间之后，才开始辐射电磁波？这个问题说复杂确实非常复杂，要涉及到十分学术的洛伦兹谐振模型，不过说简单，咱也可以用极其浅显的大白话稍微解释一下。简单说电子振荡存在延迟主要有三个原因，一是电子本身存在着质量和惯性，做不到瞬时改变它的状态，第二个原因更重要，就是电子被原子核束缚，这也会导致电子做不到实时响应。最后电子在振动时，还会向周围环境辐射能量，或是和周围的粒子发生碰撞，从而损失能量，这也是第二级光出现延迟的一个原因。
所以电子的运动不是完全自由的，因为受到多种因素的影响，它也是身不由己。粗暴地总结就是，光在经过介质时，会把一部分能量分给电子，让电子发生振荡，并产生一模一样的电磁波。但是电子就是不争气，它的反应比较慢，跟不上光的驱动力，由此就导致电子产生的电磁波要比光慢了半拍，于是在和电磁波叠加之后，光看起来就变慢了，而这一过程不断地传递下去，光慢现象就有了十分宏观地表现。那么通过以上所讲，这就可以解释为什么在不同的介质中，光有着不同的传播速度，最主要的原因就在于，不同的介质有着不同的电子束缚强度，电子的延迟存在差别。至于高能量的电磁波经过介质，为什么会比低能量的电磁波速度更慢，这是因为高能量电磁波的振荡频率太高了，可是电子受到了以上种种影响，所以要想跟得上，就必须花费更大的延迟，进一步地，光波发生叠加，最后离开介质，也会有着更大的延迟。所以在同一介质中，频率越高的电磁波，速度就越慢。
关于光，还有一个很少被思考的大问题，前面讲到所谓的折射率，指的就是光在真空中的传播速度和它进入介质之后的传播速度之比，可见光在介质中的速度越慢，折射率就越大。为什么折射率和速度之间存在着对应关系？更深入一层，光进入介质又为什么会发生折射？这个问题难度相当大，需要我下一番功夫了，请时刻关注、敬请期待！
