光在介质里传播为什么会变慢?

伤我心太深

用麦克斯韦方程可以解释光为什么在介质中会变慢，因为介质中的磁导率和介电常数不同导致的，但这只是把一个问题转化为另一个问题而已，为什么介质中的磁导率和介电常数会不一样呢？

九维空间 （物理学博士）：

    这个问题直接涉及“折射率”在量子层面的起源。

    介质中折射率分两种，一种是“相折射率”，用np表示，于是介值中的光速（相速度）vp=c/np。另一种是“群折射率”，用ng表示，介质中的光速（群速度）vg=c/ng。对于无色散（色散就是np随光的频率发生改变）介质来说，两者相等。对于有色散的介质来说:ng=np+w(dnp/dw)

    w是光的频率。上面的公式是通过波的最基本性质得出的，所以只要量子层面上能解释相折射率和色散，等同于同时解释群折射率。

    在量子光学中，总容易被量子力学描述的系统是激光和二能级原子相互作用系统（比如氢原子的电子基态和第一激发态）。考虑自发辐射，你会得到一组光学Bloch方程（这个方程是原子钟，冷原子物理，还有很多量子信息研究的物理基础）。这个方程的密度矩阵解的布局数相干项，虚部对应二能级原子对光的吸收，实部就对应相对介电常数，也就是np2。布局数相干项本身是频率的函数，所以它的实部同时解释了“相折射率”和“色散”的起源，这也就意味着解释了群折射率的起源。

    对于多能级原子系统来说，同样会用光学Bloch方程（只不过更复杂一些），所以原子系统的折射率起源可以在量子层面得到很好解释。但是在一些凝聚态光学介质中（如玻璃，水等等），情况就复杂的多。里面除了多能级系统，还存晶格对自发辐射光子的衍射等等一系列过程，因此折射率起源会复杂很多，光学Bloch方程就不够用了。但原则上都是量子过程，可以从头计算得到折射率，只不过难以列方程和计算。这就跟量子化学算一些小分子很容易，越大的分子越难算一样。

    最后要指出的是，介质中的相折射率和群折射率都可以小于1，这意味着在介质中光无论相速度或群速度都可以大于真空中的光速c，所以这个问题本身就是错的。但请放心，这个“超光速”是casual的，不会违反狭义相对论。用多能级原子气体做超光速的实验非常多，而且还能让群速度为零（如EIT），甚至能把群速度降为负数。

MQQ:

    分钟物理也不够严谨呢...虽说光在介质中的确会被部分散射，但是散射并不是光速在介质中变慢的主要原因。主要原因是介质中的带电粒子和电磁场的相互作用。英文维基上的折射率词条给出了折射率的微观解释。

    从电磁波的角度来说，入射光的电磁场会扰动介质中的带电粒子（主要是原子中的电子），被扰动的带电粒子又会重新发出电磁波，这个新发出的电磁波和原先的入射波相比会有一个相移。当然我们最终看到的结果是被扰动的带电粒子发出的电磁波和原先的入射电磁波的叠加，综合结果就是电磁波传播速度变慢。

分钟物理说：微观上，光子在介质中传播会被介质的粒子来回反弹。