在我们司空见惯的许多现象背后，经常会隐藏着深刻的科学道理，前几天我们通过《固体透明的科学原理》和《为什么水看起来是透明的？》两篇文章从量子学的角度讨论了光在固体和水中是如何传播的，今天我们将继续讨论在这些透明的介质中为什么会发生光的折射，以及光速为什么会减慢。
光在三棱镜中的折射小时候，我们经常会对杯子里的筷子或吸管被光线“折弯”感到很好奇，当我们踏入小河时也会惊讶地发现那些看起来很浅的溪水其实有齐腰深。
到了初中，我们通过物理课初步了解到那是因为光在水中发生了折射，而在高中阶段我们会利用光的折射定律来计算光的折射角度。
水中的铅笔因为光的折射而“弯折”但绝大多数人对于光的折射是只知其然而不知其所以然的。
光为什么会发生折射？光在进入介质后会一直转弯吗？为什么不同介质的折射率会有不同？它与光速有什么关系？对这些最根本问题的微观解答，很多都只在大学物理课程甚至在量子物理学中才会涉及到。
今天我将尝试用最通俗的语言来为你解开谜题，找到科学的答案。
鉴于这是篇科普文章，因此我不会展示那些烧脑的公式，试图仅用文字和图片来把问题讲明白。
尽管如此，本文有些地方还是会显得晦涩，你可以从大标题、粗体字以及最后的结论来进行了解。
由于光在晶体中的传输还涉及声子耦合振动，它的折射情况很复杂，所以本文只涉及水和玻璃等各向同性透明介质的分析。
下面进入正题。
光的本质在之前的文章中，我们已经介绍了光的波粒二象性原理。
鉴于光的物理性质是其折射现象的前提，本文将再次强调。
2004年，科学家首次成功拍摄到可见光的单个波形图像一、光是一种辐射，宇宙中几乎一切物体都对外辐射，包括我们人体本身也会发出红外光，我们可以贴近感觉到红外光的热，却不能直接看见它；二、光是粒子，同时也是电磁波，光同时具有粒子和电磁波的双重特性，光与无线电波其实是一个东西，只是名字不同而已；三、光具有能量，光是由无数个光的能量子相互叠加，这些能量子有各自的频率和波长，不同频率和波长的光子会表现出不同的颜色；光谱简图四、我们人眼看到的光只是波长为380～780nm、频率范围大约为4.2×10^14～7.8×10^14Hz区间所有光能量子的组合，我们称之为可见光，它在整个宇宙光谱中只是很小的一段。
人体发出的红外光就是不可见光；五、光速不变原则的前提是光在真空状态下速度不变。
光在介质中传播的本质我们在之前的文章中讨论过，光在固体和液体中是通过激发原子中的电子释放光波来进行传输的。
其中用到了这样一张图片：跃迁回到正常轨道的电子释放光子的角度是随机的用心的小伙伴们也许已经注意到了，这个被激发出来的光波具有方向性，实际上，光波的方向本来是不确定的，没有什么规定光波必须向前走直线，而不是向左、向右、向后、或者向上偏移N度角，为什么我们看到的光相对于它的入射角度会有一个确定的折射角呢？光在介质中传播的本质是散射。
也就是说，在介质中被激发的电子会在其回落到正常轨道时向各个方向发射光子，但最终只有一个方向的光会“幸存”下来。
为什么介质中的光是定向的？我们知道，光是电磁波，光的速度包含三方面：相速度、群速度和波前速度，其中光的波前速度就是光速，我们可以以下面的波形动图来形象地解释这三方面的关系：光波示意图，红色点为波前速度，绿点为群速度，蓝点为相速度我们假设在水（均匀介质）中有一束c方向的电磁波，我们将它与c相垂直的平面作为同相位面。
如果波前W同时经过水中W平面上的所有原子，这些原子的电子会与光量子耦合跃迁并激发出一批光子，这批光子同时也是波。
由于激发的位置处于同一个面W上，所以被激发出来的光子在它们的原点也是同相位的。
均匀介质中电磁波相位分析假设这些波叠加了一个与c轴成θ角（波前位于上图蓝色线）的平面波会怎么样？我们知道任何一个从平面W的原子a发出的子波a，在到达此波前时都会与原子b发射的子波b相位相差180˚，振幅相互抵消。
子波a与子波b的相位相隔 λ/2*Sinθ，只有当θ=0˚时，子波b与子波a处于相同相位，二者才不会抵消。
有没有被激发的子波向后发射？有，但这些子波会被另外一些后向的子波所抵消，这些子波并非