Что происходит со скоростью света, когда он выходит из воды или стекла?

Честный разбор про то, почему свет тормозит в среде, а потом снова разгоняется

С чего всё началось?

Сегодня мне написал второй подписчик и пишет: "Хэй, Димон! А можешь объяснить одну штуку? В школе физику не учил, а теперь сижу и думаю - свет же в стекле замедляется, а когда выходит обратно в воздух, снова летит быстро. Как так? Он что, разгоняется? И если это волна, то понятно, а если частица - как частица может сама собой ускориться?"

Я подумал, что ж, реально интересный вопрос! Хоть я щас в университете учусь, а этого не помню. Столько всего накопал про это, что сам поражен. Теперь делюсь.

Для начала — цифры:

В вакууме скорость света равна 300 000 км/с

• В воздухе скорость света равна 299 704 км/с
• В воде скорость света равна 225 000 км/с
• В стекле скорость света равна 200 000 км/с
• А в стекле скорость света равна 124 000 км/с

В воде свет летит на 75 тысяч км/с медленнее, чем в вакууме. В стекле - вообще на треть медленнее. А в алмазе - более чем в два раза!

И вот главный вопрос: почему так? И главное - как свет снова разгоняется, когда выходит обратно?

Почему свет замедляется в среде?

Тут надо понять одну простую вещь. Свет - это электромагнитная волна. Когда она летит в вакууме - ей ничего не мешает, она несётся с максимальной скоростью .

Но как только свет попадает в среду (воду, стекло, алмаз), он начинает взаимодействовать с атомами и молекулами. Атомы поглощают свет и переизлучают его заново. Это занимает время - пусть микроскопическое, но из таких микроскопических задержек и складывается общее замедление .

Простая аналогия: представь, что ты бежишь по пустому пляжу - это вакуум, ты летишь быстро. А теперь представь, что ты забегаешь в толпу людей. Тебе приходится лавировать, оббегать, может, даже на мгновение останавливаться. Твоя средняя скорость упала. Но как только толпа кончилась - ты снова разгоняешься .

Примерно то же происходит со светом. Только вместо толпы - атомы, которые постоянно «перехватывают» и отпускают свет.

А что происходит при выходе из среды?

И вот тут самый интересный момент.

Когда свет выходит из более плотной среды (например, из стекла) обратно в менее плотную (воздух), он снова увеличивает скорость .

Почему?

Потому что исчезает причина замедления. Атомы стекла больше не взаимодействуют со светом, ему не нужно тратить время на поглощение и переизлучение. Он снова летит свободно - с максимально возможной для данной среды скоростью .

Это не «разгон» в прямом смысле. Свет не получает энергию из ниоткуда. Просто убирается фактор, который мешал ему лететь быстро.

Но как же фотоны? Они же частицы!

И вот тут начинается самое интересное. Если считать, что свет - это поток частиц (фотонов), возникает логическая проблема.

Представь: фотон влетел в стекло, замедлился (потерял скорость), пролетел сквозь стекло, вылетел - и снова летит быстро. Как частица может сама собой ускориться без внешнего воздействия?

В нормальной физике частица не может просто так взять и разогнаться обратно. Это нарушало бы законы сохранения энергии.

Учёные спорят об этом до сих пор. Но самое распространённое объяснение такое: свет — это не частицы, а волны . А волны могут замедляться и ускоряться в зависимости от свойств среды. Как звук: в воздухе он летит с одной скоростью, в воде - быстрее, в стали - ещё быстрее. И никого это не удивляет.

Про полное внутреннее отражение

Кстати, есть ещё одна крутая штука. Если свет выходит из очень плотной среды (например, из стекла) под слишком большим углом, он может вообще не выйти наружу, а полностью отразиться обратно .

Это называется полное внутреннее отражение. Именно на этом работают оптоволоконные кабели, по которым интернет приходит в твой дом. Свет летит внутри стеклянного волокна, постоянно отражается от стенок и не может вырваться наружу. И так - тысячи километров

Что в итоге?

Если коротко ответить на вопрос подписчика:

Когда свет выходит из более плотной среды (воды, стекла) в менее плотную (воздух, вакуум), он:

• Увеличивает скорость обратно до «нормальной» для этой среды
• Увеличивает длину волны
• Меняет направление (преломляется)

И да, это нормально, что волна может замедляться и ускоряться. Волны так умеют. А вот если бы свет был только частицами - пришлось бы придумывать сложные теории, почему фотон сам себя разгоняет .

А вы?

Вы в школу физику любили? Любили решать сложные задачки по ней? Какие физические явления еще вас удивляли? Поделитесь этим в комментариях, буду рад прочитать!