Есть мнение, что в воде фотон движется со скоростью 0.5с, но при этом «у него частота, а значит и энергия, не меняются, а импульс уменьшается в два раза». Не считая абсурдного продолжения (в ядерной физике фотонами занимающейся «энергия», «частота» и «импульс» – одна и та же величина), это данное в комментарии мнение можно считать распространённым. Как минимум, оно основано на регулярно совершаемой ошибке.
Известно, что скорость света самой себе равна только в вакууме, в любых же средах она меньше себя. Причём, во многих случаях значительно меньше. Например, в чёрном водороде солнечного ядра скорость света составляет всего один километр в год (sic). Но это не значит, что в средах, и вообще хоть в каких-то обстоятельствах отличаться от c может скорость фотона. Скорость фотона всегда точно равна с, – и с здесь фундаментальная константа.
Свет это поток фотонов. И скорость потока может быть ниже в средах, – по понятной причине, среды оказывают потоку сопротивление. Но для одного фотона понятия «среды» не определено. Он движется (всегда со скоростью света) в буквальной пустоте, где кроме него болтаются и другие частицы. Фотон может провзаимодействовать только с одной из них и только один же раз.
Взаимодействие в случае фотона означает его поглощение. Встречаясь с частицей, – обычно, это какой-то из электронов попавшегося на пути атома, – фотон передаёт электрону импульс и исчезает. Получивший импульс электрон смещается от точки равновесия, в которой сила его кулоновского притяжения к ядру равна нулю (можно представить так: ядро атома находится точно в центре электрона). Соответственно, между ним и ядром, в свою очередь, происходит взаимодействие. Взаимодействие же в микромире, это когда одна частица передаёт другой импульс посредством кванта… То есть, рождается (извлекается из виртуального мира) квант электромагнитного взаимодействия – фотон – толкающий электрон назад, к точке равновесия.
По закону сохранения, в общем случае это будет точно такой же – с таким же импульсом – фотон, каким был и поглощённый. «Общий случай» в данном случае означает, что принцип «никакая передача не возможна без потерь» в микромире не работает. Тут всё точно… Но электрон-то сместится не мгновенно и даже не со скоростью света (так как имеет массу покоя). Пока он, получив импульс, уйдёт от ядра так далеко, что его потенциальная энергия в кулоновском поле точно сравняется с энергией поглощённого фотона, пройдёт время… Следовательно, копия фотона продолжит путь не сразу, а с задержкой.
В среде поток квантов замедляется, поскольку встречает сопротивление, – и это «сопротивление» и есть взаимодействия фотонов с веществом. Фотоны поглощаются и теряют время на переизлучение. Движется каждый фотон со скоростью света, но не постоянно, а «перебежками»…
И всё это, разумеется, касается абстрактной, абсолютно прозрачной среды, – а таких сред, само собой, не бывает. Также, нужно учитывать, что в описанном выше случае имелось ввиду что фотоны все абсолютно одинаковы. Если же взять хотя бы реальный свет, – поток фотонов разных энергий, – пусть и распространяющийся в абсолютно прозрачной среде, уже начнутся всяческие интересные эффекты. Фотоны разных энергий будут тратить на переизлучение (а значит, терять) разное время. По интуитивно понятной механике, лёгкие, «длинноволновые» фотоны будут продираться сквозь среду медленнее, что приведёт к расщеплению луча.
...Если же брать не абстрактную среду, а реальную, всё станет сложнее. В частности, потому что среда может прозрачной для света и не быть. Собственно, полностью прозрачной среды существовать просто не может.
Допустим, электрон сместился относительно равновесной точки и вступил во взаимодействие с ядром… Но точно ли, его возвращение на место будет организовано испусканием единственного фотона? Не факт. Смотря по устройству конкретного атома фотонов может родиться два, три или больше… И таким образом, свет будет поглощаться, переходя в более длинноволновую форму – тепло. Причём, эффект поглощения будет разниться ещё и в зависимости от энергии фотона. Соответственно, среда может оказаться прозрачной для одних длин волн, и непрозрачной для других. Небо выглядит голубым, поскольку «красные» фотоны азот «разрушает».
Рассеяние энергии происходит, поскольку электрон не один. Сместившись, он вступит во взаимодействие с ядром… а с другими электронами атома разве не вступит? Вступит он во взаимодействие и с внешними электронами других атомов в молекуле. Система выйдет из равновесия, и её возвращение к норме может потребовать нескольких импульсов... Если вообще окажется возможным. Кто сказал, что пока первый фотон переизлучается, не прилетит второй, другому электрону. Или даже тому же.
Хотя и в одиночку достаточно энергичный квант может нестойкий электрон сорвать. Произойдёт ионизация вещества, и освободившийся электрон сам понесётся в «среде» рассеивая импульс взаимодействиями. По этой причине, кстати, плотная (или даже не плотная, но в большой толще) плазма для света непрозрачна. И по этой же причине непрозрачны, как правило, электропроводные вещества. Аккуратный механизм переизлучения в присутствии свободных электронов не действует.
...Стоит также добавить, что сама по себе вероятность взаимодействия фотона в среде сильно зависит от его длины волны. Ведь атомы, как известно, малы, а фотоны (что менее известно) могут иметь макроскопический и даже гигантский, измеримый километрами, «размер» – длину волны. Так что не всякий фотон всякую среду просто заметит… Но это уже другая история.
