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为什么光速可以比骑自行车还慢?

虽然在日常观念中,爱因斯坦的相对论让人们对于光速的理解还有诸多的遐想,但科学家已经能够很好地驾驭光速,并积极探索“慢光”在光纤通信中的广泛应用。

1999年,《自然》杂志曾发表一篇论文,科学家们在实验上实现了把光的传播速度减慢到只有17米/秒。这一结果让世人大为震惊。在真空中,光每秒要走约3×108米,17米/秒的速度意味着光走得比一辆飞奔的自行车还慢。

原来,这里提到的光速和一般意义的光速有所不同。伟大的科学家爱因斯坦曾提出,真空中的光速是保持不变的,恒为一个常数c(约为3×108米/秒),但是在除了真空以外的其他介质中,光的速度会受到材料折射率影响,不同材料的折射率不同,那么光传播速度也就不同。当我们提到光速时,一般指真空中的光速c,或者准确地讲应该是单一频率的光在真空中的速度。真实世界中,理想的单色光是不存在的,一个光脉冲往往是由众多不同频率的单色光叠加而成,形成一个脉冲包络,这个包络的前进速度我们称之为群速度,描述光脉冲速度更有意义的是它的群速度

那么,为什么光脉冲的群速度可以降低到比自行车速度还慢呢?原来,光速不仅仅是不同材料中传播的快慢不同,即便在同一种材料中,不同频率的光传播速度也不相同,光的这种现象叫作色散。一个光脉冲里面包含了各种频率成分的光,不同频率的光对应不同传播速度,有的频率成分走得相对快些,有的频率成分走得相对慢些,这样一来,它们整体的包络就会因为速度的不一致被速度慢的光频率成分拖后腿,整体变得慢下来。因此,科学家们就是利用材料的色散特性,来控制一个光脉冲中的不同频率成分速度实现对整体包络速度的控制,实现对光的群速度的加快或减慢。

有了这一称为“快慢光”的技术,科学家们就可以简单地控制光在介质中的传播速度。例如,光通信中就是利用光纤来实现对光信号的传输,用快慢光技术实现对光信号的速度加快或减慢,在遇到光信息拥堵时可以让重要的紧急的信号速度加快,其他信号的速度减慢,从而很好地实现光信号传输。