我的光学科普系列之一

普通玻璃对光线的折射率大约1.5，然而，很多人未必知道：同样波长的单光子，无论穿过任何介质的交界面，都不会产生折射，而是直来直去。

原因何在？难道费马大定律不适用于单光子？

回答这个问题，需要理解折射现象的物理成因。

一般光线，绝不会是单光子，而是或多或少具有一定程度的相干性的，至少体现在各零碎段长度内有相干。为使“老妪能懂”，干脆放弃晦涩的专业术语，不妨这样解释：

形象地说，正是因为光子之间的相干性，使得前后邻近光子之间，形成了“准刚性联接”，当这虚“刚性构件”，斜插介质分界面时，因“侧向作用力”或“侧向相干力”，造成了光线的折射现象。有点像体育竞技中，投掷的标枪落地后的甩尾“折射”斜插入土。

单光子就不存在这种相干力，因而只能直来直去。

单光子很难获得，然而，就算是“足够稀疏的光子串”，稀疏到相邻光子之间相干性可以忽略不计，就不再发生折射现象。

严格来说，单光子直来直去的说法也不严谨，而是随机散射，更贴切的说法就是Compton散射。当众多光子“手牵手”（相干）“过马路”（跨过两介质界面），Compton散射被抑制，折射自然产生了。

康普顿因解释此现象于1927年获得诺贝尔奖，只不过他用的光子为X波段的高能光子，可与电子质量相若。人眼可视光子能量小得多，因而被散射的只能是光子，不像X光子那样，可使电子散射挪窝。

除非绝对真空，否则，单光子或稀疏光子串，即便在均匀介质，也没法走直线。

这个现象的哲学意义：

1、量变达到一定程度，就会引起质变，对应光子密度低到一定程度，就不按折射路径行进；

2、就像人多力量大那样，众聚势，势依众，对应光子多则熵减少、走大道，光子少熵增加、瞎转悠;

3、团结就是力量。相干意味着光子抱团前进，从而开拓出特色路径，散射无可奈何。正如资本家对付无背景的工人容易，碰到工会就屈服；

4、大样本才能客观反映潮流。其实，反射和折射现象，都是大样本光子集体行为的统计结果。孤光子没有统计意义。

光线折射的Snell定律,同样适合其它中性粒子流，如中子流（折射率小于1）和中微子流（折射率大于1），波色子（整数自旋）或费米子（半整数自旋）都行。同理，单个中子，或稀疏中子流，也不会折射，仅能散射；中微子亦然。

费米束流的透镜折射聚焦，面临Pauli不相容的挑战，而波色子束流，例如光线，则无此问题。该前沿课题正是我近期的研究重点。我猜想费米子聚焦后能简并成波色子，如果此魏氏猜想成立，则双中子、四中子、六中子，等偶数组合的零号元素的同位素应该存在。

光线通过引力场时，即便不是经过两介质分界面，也会发生折射，这是受到侧向引力使然。换成单光子，此时也会折射。这也正是天文观察到的星球或黑洞透镜现象的解释。

中微子线通过引力场时，折射效应比光线呈指数级增大，因为中微子好歹有静止质量，而光子静止质量理论值为零，但实际值可能趋于无穷小。可惜，中微子成像，无法用光学仪器观察。现有检测太阳中微子的设施，仅介质就可上万吨，一天也截获不了几颗中微子，唉！

参考文章：

刘华山：经典折射定律之谬 http://blog.sciencenet.cn/blog-3259351-1052016.html