光線束在非均勻介質中傳播也保持與波面垂直嗎

人類對於光的認識，來自人對火的依賴。大家都知道，燃料燃燒會把化學能轉化為內能。那麼光是怎麼產生的呢？

其實，燃料產生的熱量，這些的能量會被電子吸收，由低能級軌道躍遷至高能級軌道。高能級軌道的電子極不穩定，容易躍遷回低能級軌道，並以光子的形式放出能量，而這些光子能量足夠高，以至於其頻率在我們人眼能看見的可見光的頻率範圍內（當然也有不在該範圍內的），這就是我們看見的火光。

隨著人們對光的認識，我們發現光就是一種電磁波。光屬於電磁波的一個波段，分佈在0。77微米到0。39微米之間，在0。77微米之外的是紅外線，波長比0。39還短的的是紫外線。所以說光是電磁波的一部分，唯一的能被人肉眼識別的電磁波。

光具有波粒二象性，即既可把光看作是一種頻率很高的電磁波，也可把光看成是一個粒子，即光量子，簡稱光子。既然光是電磁波的一部分，所以不能說電磁波沒有粒子性。比如 不可見光中的X射線的粒子效果和電子的相當。總之，光是電磁波的一部分，而電磁波也是有粒子性（在物理學中是和波動性緊密聯絡的）。

電磁波的傳播不需要介質，同頻率的電磁波，在不同介質中的速度不同。不同頻率的電磁波，在同一種介質中傳播時，頻率越大折射率越大，速度越小。且電磁波只有在同種均勻介質中才能沿直線傳播，若同一種介質是不均勻的，電磁波在其中的折射率是不一樣的，在這樣的介質中是沿曲線傳播的。透過不同介質時，會發生折射、反射、繞射、散射及吸收等等。電磁波的傳播有沿地面傳播的地面波，還有從空中傳播的空中波以及天波。波長越長其衰減也越少，電磁波的波長越長也越容易繞過障礙物繼續傳播。

大家知道，光在同一種均勻介質裡是沿直線傳播的，這是為什麼呢？

這裡有一個偉大數學家，他有一個著名的光線規律，稱為費馬原理。費馬原理（Fermat‘s principle）最早由法國科學家皮埃爾·德·費馬在1662年提出：光傳播的路徑是光程取極值的路徑。這個極值可能是最大值、最小值，甚至是函式的拐點。 最初提出時，又名“最短時間原理”：光線傳播的路徑是需時最少的路徑。費馬原理更正確的稱謂應是“平穩時間原理”：光沿著所需時間為平穩的路徑傳播。所謂的平穩是數學上的微分概念，可以理解為一階導數為零，它可以是極大值、極小值甚至是拐點。

根據費馬原理，光是直線傳播（均勻介質中）的，但當光遇到另一界質（均勻介質）時方向會發生改變，改變後依然緣直線傳播。而在非均勻介質中，光一般是按曲線傳播的。以上光的傳播路徑都可以透過費馬原理來確定。

根據光的波動理論，光的傳播傳播實質是微粒中點到點過程 傳播途中每一點都是一個次波點源，發射的是球面波，對光源面（一個有限半徑的面積）發出的所有球面波積分，當光源面遠大於波長時結果近似為等面積、同方向的柱體，即表現為直線傳播，實際上也有發散（理想鐳射除外）。比如手電發出的光有很明顯的發散。光源面越大，光的單色性越好，發散越不明顯。當光源半徑與波長可比擬時積分時的近似條件不成立，積分結果趨向球面波，即表現為衍射。

在中學物理中，我們撇開了撇開光的波動本性，以光的直線傳播為基礎，研究光在介質中的傳播及物體成像規律的學科，稱為幾何光學。在幾何光學中，以一條有箭頭的幾何線代表光的傳播方向，叫做光線。幾何光學把物體看作無數物點的組合（在近似情況下，也可用物點表示物體），由物點發出的光束，看作是無數幾何光線的集合，光線的方向代表光能的傳遞方向。這些概念顯然與光的波動本性相違背，但是如果我們所討論的研究物件的尺寸遠遠大於光的波長，而它的細微結構也不必十分嚴密考慮的情況下，由幾何光學得出的結論還是很好的近似。

既然光在同一種均勻介質沿直線傳播，那麼光的速度是多大呢？不同頻率的光速度一樣嗎？

17世紀以前，天文學家和物理學家都認為光速是無限大的，宇宙恆星發出的光都是瞬時到達地球。伽利略首先對此提出懷疑，他於1607年在兩山頂間做實驗測光速，由於光速太大而實驗裝置又太簡陋，未獲成功。1676年丹麥天文學家羅默，利用天文觀測，首次成功測量了光速。1849年法國科學家斐索在實驗室裡，用巧妙的裝置首次成功地在地面上測出了光速。1973年美國標準局的埃文森採用鐳射方法利用頻率和波和測定光速為（299792 485+1。2）米/秒。經1975年第15屆國際計量大會確認，上述光速作為國際推薦值使用。1983年第17屆國際計量大會上透過米的新定義為“真空”中光在1/299 792 458秒時間間隔內行程的長度。

根據愛因斯坦相對論，人們把光速幾乎看成速度上限。20世紀初起，我們的理論一直受制於愛因斯坦驗證的光速極限，即每秒186282英里（約合每秒30萬公里）。即使我們把宇宙飛船加速到這一速度，到達距離我們最近的恆星系統半人馬座阿爾法星（距離我們大約4。3光年）並返回，也需要近十年時間。此外，宇宙飛船本身還要考慮能量限制。因此，必須要實現突破光速極限才有可能實現這些目的。科學家們實施了許多相關的實驗，比如由美國普林斯頓大學科學家王利軍（Lijun Wang）於2000年進行的實驗和德國科學家於2007年進行的實驗都取得了一定的進展。最初，科學家們堅信沒有任何物質或資訊能夠突破光速，但光脈衝卻能夠做到。在真空狀態下，在不同位置測到的光脈衝似乎以一種難以置信的速度在傳播。

光速這麼快，那麼不同頻率光在同一中均勻介質傳播速度相同麼？其實，回答這個問題，根據一個實驗就知道了，大家都學過光的色散實驗。當白光經過三稜鏡時會分解成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色的光 這個牛頓在1666年最先利用三稜鏡觀察到的。

光的色散現象本質還是光的折射一種特殊形式。根據光的折射定律，光在兩種不同介質裡偏轉角度的正弦等於光在兩種介質的速度比。白光裡的各自色光入射角相同，但是折射角不一樣，很肯定是由於不同頻率色光，他們在同一種介質傳播速度不同造成的。

光的色散主題是光波。光波都有一定的頻率，光的顏色是由光波的頻率決定的，在可見光區域，紅光頻率最小，紫光的頻率最大，各種頻率的光在真空中傳播的速度都相同，約等於3。0×108m/s。但是不同頻率的單色光，在介質中傳播時由於與介質相互作用，傳播速度都比在真空中的速度小，並且速度的大小互不相同。紅光速度快，紫光的傳播速度慢，因此介質對紅光的折射率小，對紫光的折率大。當不同色光以相同的入射角射到三稜鏡上，紅光發生的偏折最少，它在光譜中處在靠近頂角的一端。紫光的頻率大，在介質中的折射率大，在光譜中也就排列在最靠近稜鏡底邊的一端。

其實，不同頻率的光在同種介質中傳播速度不相同，由v=c/n 不同頻率的光在同種介質中的折射率不同，頻率越高、折射率越大，光的傳播速跟度越小。

2018年10月24日於宜昌市夷陵區吾同齋