【折射2】甚麼是全內反射？原來光也會U-Turn？
游泳時把頭潛到水下，往上望，天空像被切成一塊圓圓的光窗；其餘位置就像一面鏡，把池底反過來映在你眼前。這不是魔術，而是光在不同媒介裡的「路線選擇」：有時乖乖折彎，有時乾脆不走出去，整個掉頭回來。理解這件事，能帶我們走進兩個既美麗又實用的現象：全內反射，以及藍到發光的契倫柯夫光。
光在不同媒介的速度：為何會折彎？
光在真空跑得最快，每秒約三十萬公里。一旦進入透明物料（例如水、玻璃、鑽石），它的速度會慢下來，而且不同物料慢的程度不同。這個「慢多少」常用「折射率」來描述：折射率越大，光在其中越慢。
當光從一種物料進入另一種物料，路徑會轉彎，稱為折射。簡單記法：
- 從疏（折射率小、光較快）進密（折射率大、光較慢）：光線向法線方向偏折，折射角比入射角小。
- 從密進疏：光線離開法線，折射角比入射角大。
你在水杯中看飲管彎折，或泳池看池底像被拉高，都是這個原因。
由折射推到全內反射：臨界角的魔法
有趣的事在「密到疏」發生。想像一束光在水中斜斜地射向水面。隨著入射角愈來愈大，折射角也會愈來愈大，直到某個「剛好」的角度，折射光會貼著水面沿邊走——這個入射角，叫做臨界角。再把入射角加大一點，按照折射的數學關係，你會發現「計不出」折射角（因為需要一個不可能的正弦值）。物理上代表什麼？代表光根本無法折出去，只能全部在邊界被反射回水中。
這個現象就叫「全內反射」。重點如下：
- 只在光由比較密的媒介進入比較疏的媒介時出現（例如玻璃到空氣、水到空氣）。
- 入射角小於臨界角時：仍有折射，亦有部分反射。
- 入射角等於臨界角：折射光沿界面而行。
- 入射角大於臨界角：全部光反射回去，界面像一面完美鏡。
這就是為何你在水下只在頭頂看到一個明亮圓窗（臨界角內的天空），其餘範圍都像鏡子，把水底景物反射過來。
鏡子反光，為何還要全內反射？
有人會問：用鏡子反射不就好了？問題在於效率。日常鏡子的反射率未必很高，做到六、七成已算非常不錯；精密儀器可做到九成甚至更高，但成本高、也受波長與入射角限制。相比之下，全內反射在合適條件下幾乎不損失地把光「彈回去」，像遇上一塊天生的完美鏡，省心又省成本。
用水波與聲波作比喻：衝擊波與V字形
想像一艘快艇在海面劃過。若船速比水面波紋的傳播速度更快，船就會堆出一個開口向前的V字形浪紋，這其實是一種「衝擊波」。同樣地，戰機超過音速時，因為飛機比聲波走得快，空氣來不及「通知」前方，於是形成震耳欲聾的音爆和錐形衝擊波。
這個概念，不只屬於水波與聲波，還可延伸到光
藍色的契倫柯夫光：光的「衝擊波」
在真空中，沒有任何東西能比光快，所以不會有「光的衝擊波」。但在水、玻璃等媒介裡，光的速度被迫變慢。如果有帶電粒子（例如電子）被高能輻射激發，在媒介中以極接近光速的速度前進，它就可能比「該媒介中的光速」更快。結果會如何？就像超音速飛機一樣，粒子會在身後推起一個「光的衝擊波」，向外成錐形發出一道藍色的幽光，這就是契倫柯夫光。
重點有三：
- 只在「有媒介」中出現，因為光在媒介中被減速；在真空不會發生。
- 需要帶電粒子在媒介裡的速度「超過該媒介的光速」。不是超過真空光速，而是超過「被放慢了的光速」。
- 幾何上與船的V形浪、戰機的音爆錐有相似之處，都是「波追不上擾動源」時的結果。
你可能在核反應堆的水池照片看過這種藍光，既科幻又真實。
全內反射的王牌應用：把光彎著送走
要讓光走曲線很難，畢竟光愛走直線；想靠重力把光彎起來，要到黑洞級別才行。全內反射給了我們一條「平民級」的捷徑：把光放進一條細玻璃或塑膠纖維，讓它在纖維內壁上次次以大於臨界角的方式反彈。這樣，光便像在彎彎的走廊裡「彈來彈去」往前走，不容易漏出去，於是能在長距離把訊息帶走——這就是光纖的基本原理。
幾個實際重點：
- 光纖的纖芯折射率要比外層包裹的材料高，才能確保「密到疏」的條件成立，方便全內反射。
- 彎曲半徑不能太小。彎得太利，入射角可能小過臨界角，部分光就會折射流失。你或許看過中秋燈飾用的光纖束：筆直時只有尾端亮，彎到一個程度，側面就漏出光來。
- 因為反射幾乎不損失，光纖能高效傳遞大量數據；把資訊「寫」在光的強度或顏色變化上，便可以做高速通訊。
生活裡的全內反射小觀察
鑽石的火彩：鑽石折射率高，而且切割面角度設計得精準，令入射光在內部多次全內反射，最後從頂部射出，明亮又閃爍。
稜鏡代替鏡面：一些光學儀器用玻璃稜鏡做九十度轉向。因為全內反射幾乎無損，比鍍膜鏡更穩定耐用。
水的「光管」：把水龍頭開成細流，用手電筒從側面照入，光會沿著彎曲的水流被「帶」下去，本質上也是全內反射在起作用。
把三件事連成一線
折射、全內反射、契倫柯夫光，其實都在回答同一個問題：在不同媒介裡，波的速度變了，世界會怎樣改觀？光慢下來，路線要改；再慢一點，就容許「完美鏡面」在邊界出現；慢得足夠多，甚至讓帶電粒子有機會跑贏「光在媒介裡的速度」，推起藍色的光之衝擊波。
重點整理（給趕時間的你）
- 光在真空最快；在水、玻璃、鑽石中更慢，慢的程度用折射率描述。
- 密到疏會「離法線」，疏到密會「向法線」——這就是折射的方向規律。
- 臨界角：密到疏時，入射角大到某值，折射光貼邊走；再大就完全反回去，稱全內反射。
- 全內反射把界面變成近乎完美的鏡面；這是光纖高效率傳訊的關鍵。
- 契倫柯夫光：在媒介中，帶電粒子速度超過該媒介內光速，會產生藍色的「光的衝擊波」，類似快艇的V形浪和戰機的音爆。
- 彎得太利會漏光：光纖或玻璃棒彎曲半徑太小，入射角低於臨界角，光便從側面折射流失。
結語：學會看見光的路
下次在海邊看著快艇畫出V字形浪，或在新聞照片裡見到核反應堆水池那抹藍光，不妨想起：這些都是「波的速度」在說話。光不是只會一味直走，它會因環境而轉彎、會在邊界掉頭、甚至在合適的地方「炸」出一個衝擊波。懂得這些道理，我們就能把光收服在玻璃纖維中，用幾乎不失真的方式，把你的訊息、我的問候，在城市與城市之間，以光速飛奔。
