为什么光在不同介质中速度不同？这违背光速不变原理吗？
为什么光在不同介质中速度不同？
我们都知道，爱因斯坦的狭义相对论提出了一个基石性的原理：光在真空中的速度是恒定的，任何观察者，无论其运动状态如何，测量到的真空光速都是相同的，即 $c approx 299,792,458$ 米/秒。 这个速度是宇宙中的极限速度，是物质和信息传递的上限。
然而，我们日常生活中观察到的光在介质（比如水、玻璃、空气）中的速度，却是比真空光速要慢的。这又是怎么回事呢？
要理解这一点，我们需要深入到光与物质相互作用的微观层面。
1. 光是电磁波： 首先要明确，光是一种电磁波，它是由相互垂直的电场和磁场振荡组成的。
2. 介质的构成： 介质是由原子和分子组成的。这些原子和分子内部存在带电粒子，主要是电子（以及原子核）。
3. 光与物质的相互作用： 当光波进入介质时，它会与介质中的原子和分子发生相互作用。
电场的作用： 光的电场分量会驱动介质中的电子（主要是外层电子）产生振动。这些振动的电子又会以它们自身为中心，重新辐射出电磁波。
吸收与再发射（经典解释）： 我们可以将这个过程想象成，光波像一个小小的“推手”，不断地推着介质中的电子震动。这些震动的电子就像微小的天线，会吸收光的能量，然后再次向四面八方辐射出新的电磁波。
叠加与干涉： 介质中所有被激发的电子发出的电磁波，会与原来的入射光波进行叠加和干涉。这种叠加和干涉的结果，使得在介质中传播的“净”电磁波，其整体的传播速度看起来就变慢了。
4. 相对论性解释（更精确）： 更为精确的理解是，电子作为带电粒子，在光的电场作用下加速运动，并且它们本身也是有质量的。根据狭义相对论，带电粒子在运动时，其“惯性”会变大（相对论性质量效应）。当光波的能量传递给电子，使其加速运动并辐射出新的电磁波时，这个能量传递和辐射的过程需要时间。而且，这些重新辐射出的电磁波与原始的电磁波并不是简单地“叠加”在一起，而是一种更复杂的相互作用，导致了整体相速度的降低。
折射率的由来： 介质对光的阻碍程度（即光速降低的程度）是由介质的原子密度、电子的束缚能力（电子云的“松紧”）以及光的频率决定的。这些因素共同决定了介质的折射率（refractive index, $n$）。折射率定义为光在真空中的速度 ($c$) 与光在介质中的速度 ($v$) 之比：$n = c/v$。因此，$v = c/n$。当 $n > 1$ 时，光在介质中的速度 $v$ 就小于真空光速 $c$。
打个比方： 想象一下你在一条平坦的空路上骑自行车，速度可以很快。现在你进入了一条挤满了行人的市场，你仍然可以骑行，但你不得不时不时地减速、绕行，并且要顾及到行人的动态。虽然你的“自行车”本身（光子）的速度没有改变，但你整体“穿过市场”的速度就变慢了。介质中的原子就像市场的行人，光波就像骑自行车的人，它在与“行人”互动中，整体的前进速度受到了影响。
这是否违背光速不变原理？
不，这完全不违背光速不变原理。
原因在于：
光速不变原理指的是“光在真空中的速度”。 这个原理的精确表述是：在任何惯性参考系中，真空中的光速恒定不变。
介质中的“速度”是“有效速度”或“相速度”。 当我们说光在介质中的速度是 $v = c/n$ 时，这个 $v$ 通常指的是相速度。相速度是指构成电磁波波峰和波谷的那个“点”的传播速度。
光子本身在介质中的传播是瞬间的。 更加核心的理解是，构成光的粒子——光子，在没有受到阻碍的情况下，其运动速度始终是 $c$。 光子在介质中并不是“慢下来”了，而是它在与介质的相互作用过程中，吸收能量，再重新辐射，这个过程耗费了时间，使得整体的“信息”或“能量”的传递显得像是被延迟了，从而表现为速度的降低。
信息传播速度的限制：
更进一步，如果我们将“光速不变原理”的含义理解为“信息传递的速度不能超过光在真空中的速度 $c$”，那么介质中的情况也符合这一点。
虽然介质中的相速度 $v$ 小于 $c$，但如果我们要考虑信号速度（signal velocity）或者群速度（group velocity），即承载信息的那个“包络”的传播速度，它们也不会超过 $c$。在很多情况下，信号速度甚至比相速度还要慢。
总结一下：
1. 真空光速 $c$ 是光子（或任何无质量粒子、信息）在没有阻碍时的绝对速度上限。 这是光速不变原理的核心。
2. 介质中的光速 $v = c/n$ 是光波与介质中粒子相互作用后产生的“集体效应”的速度，通常指相速度。
3. 光子在介质中并非真的“慢下来”了，而是经历了一个吸收辐射的循环过程，这个过程导致了整体传播速度的降低，但光子本身在“传播”的瞬间速度依然是 $c$。
4. 信息的传递速度（信号速度、群速度）也不会超过 $c$。
所以，光在不同介质中速度不同，是光与物质相互作用的必然结果，它巧妙地与光速不变原理（关于真空光速）并行不悖，甚至在更深的层次上验证了相对论的普遍性。
网友意见
不违背。光速不变原理指的是真空中的光速保持不变，或者可以认为是信息的传递速度上限是光速。在不同的介质中，光速基本都是不同的——光在介质中的传播速度甚至还可以超过真空光速的！
中科院物理所似乎在说所有的介质（特定介质+其他介质）ε和μ都大于1，因此介质中的光速v就会小于真空光速c——我很惊讶他居然会犯这样的错误。对于一些特定波长的光，比如波长为0.04 nm的X光，水的折射率为0.99999974——也就是水中的速度比真空光速要快约千万分之三。
这样的超光速在科研里面是非常重要的！对于一些X光相关的科研，经常要用到这种特性。由于X光极其容易发生衍射，所以很难像普通可见光那样用镜子来进行反射的。这时候就需要利用超光速的原理，从而实现全反射！由于在介质中的光速更快，所以当入射角较大时，就可以实现高反射率了。
这里虽然X光的传播速度超过了真空光速，但是并没有违反相对论。光在介质中的传播速度，实际上是被称作相速度。因为单一频率的平面波是无法传递信息的，所以为了传递信息，光中必须有不同的波长。这时候就涉及到好几种速度的定义，它们分别是相速度、群速度和信号速度，其中信号速度是真正反映了信息的传递速度。
在绝大多数情况下，信号速度是等于群速度的，也就是波包的运动速度。并且可以证明，在上述的相速度超光速的情况下，群速度依然是小于真空光速的。因此，此时信号速度是小于真空光速的。 另外，在一些非常特殊的情况下，比如反常色散，群速度也是可以大于真空光速的。但是此时由于介质会强烈吸光，信号速度不再等于群速度，并且依然可以证明此时信号速度小于光速。
不违背，光速不变指的是在真空中的光速，介质中情况要复杂的多。
光进入物质，速度变低，这表面上看起来是一个现象，但其实仔细考察的话是多个现象的叠加。
当光进入介质以后，交变电磁场会在局域激发介质的原子（或者离子或者分子）。
这些被激发的（以及未被激发的）会在局域与光子形成复杂的相互作用。
比如粒子吸光并且进行受激辐射（stimulated emission），辐射的光子和入射光子能量一致。
介质整体对入射光的相互作用叠加在一起，才形成了光线在介质中的定向传播。
这个传播方向可以与入射光一致，也可以不同（折射），还可以反弹而回（反射）。
这个现象从宏观来看，就像是光子进入介质以后不停的在介质内部经过了多次散射一样。
因为散射的光程远远比真空中完全直线的光程长的多，所以看起来介质中的光速变慢了。
当然在有一些情况下，比如X射线进入很多介质的时候，光的相速度反而会变快（超过真空中的光速）。
这个就要具体问题具体分析了，因为速度的定义在这种情况下，往往和我们熟悉的速度含义不太一样。
多说一句，其实不光是光在介质中传播，其他很多我们很熟悉的问题如果深究下去，里面的内容都是非常深的。
这东西细想起来可好玩了，祝你玩的愉快。
我们平常说的“光速不变”的完整表述是“光在真空中的传播速度不变”，而当在折射率为n的介质中传播时，光速会发生变化为原来的1/n倍。
以宏观电磁学的视角来看，麦克斯韦方程告诉我们，电磁波传输的速率为:
其中，ε₀和μ₀分别为真空介电常数和真空磁导率，它们都是常数，ε和μ是介质的相对介电常数和相对磁导率，对于特定的介质，它们都是大于等于1的无量纲常数。对于真空而言，ε和μ都为1，因此真空光速变为
对于其他的介质，ε和μ都大于1，因此介质中的光速v就会小于真空光速c.
下面分析介质中ε和μ的微观来源。假设当电磁波在介质中以真空光速c传播时，介质中的电子和质子会对电磁波作出响应，它们会随着电磁场的周期性震荡在平衡位置附近做周期性运动，并产生一列子电磁波。子波与原电磁波叠加在一起形成了在介质中真实传播的电磁波。叠加的过程中，波速由初始假想的c降为实际的v。具体ε和μ的数值，受到原子种类和排布的影响。
参考资料：
赵凯华,陈熙谋著.电磁学(第3版)[M].上海,高等教育出版社,2011:50-70.
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