Скорость света в воде. Почему она меньше чем в атмосфере?
Свет, распространяясь в веществе, взаимодействует с электронными оболочками атомов, вызывая их периодическую поляризацию. У атома возникает дипольный момент, колеблющийся с частотой световой волны вокруг нулевого значения и таким образом атом становится источником электромагнитной волны. Так как электроны имеют массу, их колебания запаздывают по отношению к фазе световой волны и фаза вторичной волны также отстает. В результате интерференции первичной и вторичной волн получается волна, скорость которой меньше, чем скорость света в вакууме.
Разумеется, это упрощенное и к тому же классическое описание. В реальности происходит поглощение фотона электронной оболочкой атома и переизлучение.
Скорость света
Ско́рость све́та (в вакууме ), скорость распространения электромагнитных волн любых частот, предельная скорость распространения любых физических воздействий; одна из фундаментальных физических постоянных. Скорость света ( c c c ) инвариантна при переходе от одной системы отсчёта к другой.
В среде cкорость света ( c ′ c' c ′ ) зависит от показателя преломления n n n среды, различного для разных частот ν излучения ( дисперсия света ) c ′ ( ν ) = c / n ( ν ) c'(ν)=c/n(ν) c ′ ( ν ) = c / n ( ν ) . Эта зависимость приводит к отличию групповой скорости от фазовой скорости , которые для вакуума совпадают. При экспериментальном определении скорости света всегда измеряют групповую скорость (т. н. скорость сигнала, скорость передачи энергии).
Впервые скорость света определил в 1675 г. О. Рёмер по измерению промежутков времени между затмениями спутников Юпитера . В 1728 г. скорость света измерил Дж. Брадлей на основе наблюдений аберрации звёзд. В 19 в. измерения скорости света проводили многие учёные ( опыт Майкельсона , опыт Физо , опыт Фуко ). Полученное А. Майкельсоном значение скорости света было в то время самым точным: c c c = 299796 ± 4 км/с. Эти измерения дополнительно подтвердили волновую теорию света. Выполненное Ж. Б. Л. Фуко в 1850 г. сравнение скорости света одной и той же частоты ν в воде и в воздухе показало, что скорость света в воде u = c / n ( ν ) u=c/n(ν) u = c / n ( ν ) соответствует предсказаниям волновой теории. Таким образом, была установлена связь оптики с теорией электромагнетизма: скорости света и электромагнитных волн совпали.
Скорость света в воде меньше чем в воздухе
Чтобы определить скорость (пройденное расстояние / затраченное время) мы должны выбрать стандарты расстояния и времени. Разные стандарты могут дать разные результаты измерения скорости.
Постоянна ли скорость света?
Этот вопрос можно понять по разному. Поэтому есть разные ответы.
В воздухе или воде другая скорость света?
Да. Свет замедляется в прозрачных веществах, таких как воздух, вода или стекло. Во сколько раз замедляется свет определяется коэффициентом рефракции (показателем преломления) среды. Он всегда больше единицы. Это открытие сделал Леон Фуко в 1850 году.
Когда говорят о «скорости света», то обычно имеют виду скорость света в вакууме. Именно её обозначают буквой c .
Постоянна ли скорость света в вакууме?
В 1983 году Генеральной конференцией по мерам и весам ( Conference Generale des Poids et Mesures ), принято следующее определение метра в системе СИ:
Этим же определено, что скорость света в вакууме точно равна 299792458 м/с. Краткий ответ на вопрос «Является ли c константой»: Да, c константа по определению!
Но это не весь ответ. Система СИ очень практична. Её определения основаны на лучших известных методах измерения, и постоянно пересматриваются. На сегодня для самого точного измерения макроскопических расстояний посылают импульс света лазера и измеряют время, за которое свет проходит требуемое расстояние. Время измеряется атомными часами. Точность лучших атомных часов 1/10 13 . Именно такое определение метра обеспечивает минимальную погрешность измерения расстояния.
Определения системы СИ основаны на некоторых представлениях о законах физики. Например, предполагается, что частицы света фотоны не имеют массы. Если бы фотон имел небольшую массу покоя, то определение метра в системе СИ было бы не корректным, потому что скорость света зависела бы от длины волны. Из определения не следовало бы, что скорость света постоянна. Потребовалось бы уточнить определение метра, добавив цвет света, который должен использоваться.
Из экспериментов известно, что масса фотона очень мала или равна нулю. Возможная ненулевая масса фотона так мала, что она не имеет значения для определения метра в обозримом будущем. Нельзя показать, что это точный ноль, но в современных общепризнанных теориях это ноль. Если всё же не ноль, и скорость света не константа, то теоретически должна быть величина c — верхний предел скорости света в вакууме, и мы можем задать вопрос «является ли эта величина c константой?»
Раньше метр и секунда определялись разными способами основанными на лучших методах измерений. Определения могут измениться и в будущем. В 1939 году секунда определялась, как 1/84600 от средней длины суток, а метр, как расстояние между рисками на хранившемся во Франции стержне из сплава платины и иридия.
Сейчас при помощи атомных часов установлено, что средняя длина суток изменяется. Стандартное время уточняют, иногда добавляя или отнимая от него долю секунды. Скорость вращения Земли замедляется примерно на 1/100000 секунды в год из-за приливных сил между Землёй и Луной. В длине эталона метра могут быть ещё большие изменения из-за сжатия металла.
В результате в те времена скорость света, измеренная в единицах м/с, немного менялась со временем. Ясно, что изменения величины c были больше вызваны используемыми единицами измерения, чем непостоянством самой скорости света, но неправильно считать что скорость света теперь стала постоянной, только потому, что она константа в системе СИ.
Определения в системе СИ выявили, что для ответа на наш на вопрос, нужно уточнить, что мы имеем в виду, говоря о постоянстве скорости света. Мы должны задать определения единиц длины и времени для измерения величины c . В принципе, можно получить разные ответы при измерении в лаборатории и при использовании астрономических наблюдений. (Одно из первых измерений скорости света сделал в 1676 году Олаф Ремер на основе наблюдаемых изменении периода затмений спутников Юпитера.)
Для примера, мы могли бы взять определения, установленные между 1967 и 1983 годами. Тогда метр определялся, как 1650763.73 длины волны красно-оранжевого света источника на криптоне-86, а секунда была определена (как и сегодня) как 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями цезия-133. В отличие от прежних определений, эти основаны на абсолютных физических величинах, и применимы всегда и везде. Можно ли сказать, что скорость света постоянна в этих единицах?
Из квантовой теории атома мы знаем, что частоты и длины волн в основном определяются постоянной Планка, зарядом электрона, массами электрона и ядра, и скоростью света. Из перечисленных параметров можно получить безразмерные величины, такие как постоянная тонкой структуры и отношение масс электрона и протона. Значения этих безразмерных величин не зависят от выбора единиц измерения. Поэтому очень важен вопрос, постоянны ли эти значения?
Если бы они изменялись, это повлияло бы не только на скорость света. Вся химия основана на этих значениях, от них зависят химические и механические свойства всех веществ. Скорость света изменялась бы по разному при выборе разных определений для единиц измерения. В таком случае было бы больше смысла приписать её изменение изменению заряда или массы электрона, чем изменению самой скорости света.
Достаточно надёжные наблюдения показывают, что значения этих безразмерных величин не изменялись в течении большей части жизни вселенной. See the FAQ article Have physical constants changed with time?
[На самом деле постоянная тонкой структуры зависит от масштаба энергии, но здесь мы имеем в виду её низкоэнергетический предел.]
Специальная теория относительности
Определение метра в системе СИ также основано на допущении о корректности теории относительности. Скорость света константа в соответствии с основным постулатом теории относительности. Это постулат содержит две идеи:
- Скорость света не зависит от движения наблюдателя.
- Скорость света не зависит от координат во времени и пространстве.
Идея о независимости скорости света от скорости наблюдателя противоречит интуиции. Некоторые люди даже не могут согласиться, что эта идея логична. В 1905 году Эйнштейн показал, что эта идея логически корректна, если отказаться от предположения об абсолютной природе пространства и времени.
В 1879 году считалось, что свет должен распространяться по некоторой среде в пространстве, как звук распространяется по воздуху и другим веществам. Майкельсон и Морли поставили эксперимент по обнаружению эфира путём наблюдения изменения скорости света при изменении направления движения Земли относительно Солнца в течение года. К их удивлению изменение скорости света не было обнаружено.
Фицджеральд предположил, что это результат сокращения длины экспериментальной установки при её движении в эфире на такую величину, из-за которой обнаружить изменение скорости света не удаётся. Лоренц распространил эту идею на темп хода часов, и доказал, что эфир обнаружить невозможно.
Эйнштейн считал, что изменение длины и хода часов лучше понимать, как изменения пространства и времени, а не изменения в физических объектах. От абсолютного пространства и времени, введённых Ньютоном, нужно отказаться. Вскоре после этого математик Минковский показал, что Эйнштейновскую теорию относительности можно трактовать в терминах четырёхмерной неевклидовой геометрии, рассматривая пространство и время как единую сущность — пространство-время .
Теория относительности не только математически обоснована, она также подтверждена многочисленными прямыми экспериментами. Позже опыты Майкельсона-Морли повторялись с большей точностью.
В 1925 году Дейтон Миллер объявил, что он обнаружил изменения в скорости света. Он даже получил награду за это открытие. В пятидесятых годах дополнительное рассмотрение его работы показало, что результаты, видимо, были связаны с дневными и сезонными изменениями температуры его экспериментальной установки.
Современные физические инструменты могли бы легко обнаружить движение эфира, если бы он существовал. Земля движется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с. Если бы скорости складывались, в соответствии с ньютоновской механикой, то последние 5 цифр в величине скорости света, постулируемой в системе СИ, были бы бессмысленными. Сегодня физики в CERN (Женева) и Fermilab (Чикаго) каждый день разгоняют частицы до скорости на волосок от скорости света. Любая зависимость скорости света от системы отсчёта была бы давно замечена, если только она не незаметно мала.
Что, если вместо теории об изменении пространства и времени, мы бы последовали теории Лоренца-Фицджеральда, которые предположили, что эфир существует, но его нельзя обнаружить из-за физических изменений в длине материальных объектов и в темпе хода часов?
Чтобы их теория согласовалась с наблюдениями, эфир должен быть необнаружим при помощи часов и линейки. Всё, включая наблюдателя, сокращалось бы и замедлялось точно на нужную величину. Такая теория могла бы делать те же предсказания для всех экспериментов, что и теория относительности. Тогда эфир был бы метафизической сущностью, если только не найдут какой-нибудь другой способ его обнаружения — такой способ пока никто не нашёл. С точки зрения Эйнштейна такая сущность была бы ненужным усложнением, лучше убрать её из теории.
Общая теория относительности
Эйнштейн разработал более общую теорию относительности, которая объяснила гравитацию в терминах искривления пространства-времени, и он говорил об изменении скорости света в этой новой теории. В 1920 году в книге «Relativity. The special and general theory» он пишет:
. .. в общей теорией относительности закон постоянства скорости света в вакууме, который является одним из двух фундаментальных допущений в специальной теории относительности, [. . .] не может быть безоговорочно справедлив. Искривление луча света может реализоваться только, когда скорость распространения света зависит от его положения.
Поскольку Эйнштейн говорил о векторе скорости (скорость и направление), а не просто о скорости, то не ясно, имел ли он в виду, что величина скорости изменяется, но ссылка на специальную теорию относительности говорит о том, что да, имел в виду. Такое понимание совершенно верно, и имеет физический смысл, но в соответствии с современной трактовкой скорость света постоянна и в общей теории относительности.
Сложность здесь в том, что скорость зависит от координат, и возможны разные толкования. Чтобы определить скорость (пройденное расстояние / затраченное время) мы должны вначале выбрать некоторые стандарты расстояния и времени. Разные стандарты могут дать разные результаты. Это применимо и к специальной теории относительности: если измерять скорость света в ускоряющейся системе отсчёта, то в общем случае она отличается от c .
В специальной теории относительности скорость света константа в любой инерциальной системе отсчёта. В общей теории относительности соответствующим обобщением является то, что скорость света константа в любой свободно падающей системе отсчёта в достаточно малой области, чтобы можно было пренебречь приливными силами. В приведённой цитате Эйнштейн не говорит о свободно падающей системе отсчёта. Он говорит о системе отсчёта, находящейся в покое относительно источника гравитации. В такой системе отсчёта скорость света может отличаться от c из-за влияния гравитации (кривизны постранства-времени) на часы и линейки.
Если общая теория относительности верна, то постоянство скорости света в инерциальной системе отсчёта — это тавтологическое следствие геометрии пространства-времени. Путешествие со скоростью c в инерциальной системе отсчёта — это путешествие вдоль прямой мировой линии на поверхности светового конуса.
Использование в системе СИ константы c , как коэффициента для связи метра и секунды полностью оправдано, как теоретически, так и практически потому, что c не только скорость света — это фундаментальное свойство геометрии пространства-времени.
Как и для специальной теории относительности, предсказания общей теории относительности подтверждены многими наблюдениями.
В итоге мы приходим к выводу, что скорость света постоянна не только в соответствии с наблюдениями. В свете хорошо проверенных физических теорий даже не имеет смысла говорить о её непостоянстве.
Steve Carlip, Philip Gibbs, 1997
С точностью 0.1% скорость света и в воздухе и в вакууме равна 300 тысяч километров в секунду
Постоянна ли скорость света?
Этот вопрос можно понимать по-разному, соответственно, по-разному придется и отвечать:
Изменяется ли скорость света при его попадании в воздух или воду?
Да. Свет замедляет свое движение в таких прозрачных средах, как воздух, вода или стекло. Отношение, в котором происходит такое замедление, называется показателем преломления среды и оно всегда больше единицы*. Это открыл Жан Фокол в 1850 г.
Чаще всего, когда люди в общем говорят "скорость света", то имеют в виду "скорость света в вакууме". Именно эта величина обозначается буквой c.
Постоянно ли c, то есть, скорость света в вакууме?
В 1983 г. на Генеральной конференции мер и весов было принято следующее определение метра в системе единиц СИ (Система Интернациональная):
Метр есть расстояние, проходимое светом в вакууме за время в 1/299 792 458 секунды.
Это привело к тому, что скорость света стала равна в точности 299 792 458 метров в секунду. И, таким образом, ответ на вопрос, постоянно ли c, становится простым до чрезвычайности: да, c постоянно по определению!
Однако, это еще не все. Система СИ построена на очень практических соображениях. Ее определения принимаются в соответствие с наиболее точными известными методиками измерения и они постоянно пересматриваются. Сегодня существуют способы измерения макроскопического расстояния путем испускания лазерного импульса и измерения времени, которое он затрачивает, чтобы пройти это расстояние. Время измеряется при помощи очень точных атомных часов (точность лучших атомных часов достигает одну 10^13 ную долю!). Именно поэтому разумно определить единицу метра именно таким способом, чтобы свести к минимуму возможные ошибки.
При построении СИ было сделано несколько предположений о том, каковы есть законы физики. Например, предполагалось, что у частицы света — у фотона — нет массы. Если бы у фотона была масса покоя, то определение метра в СИ потеряло бы смысл, так как скорость света стала бы зависеть от длины его волны. Тогда нельзя было бы постановить, что она постоянна. Тогда в определении метра надо было бы еще указать, свет какого цвета надо использовать. Опыт показывает, что если у фотона и есть какая-нибудь масса покоя, то она очень маленькая. См. вопрос есть ли масса у света. Во всяком случае, она настолько мала, что в обозримом будущем не сыграет заметной роли в определения метра, но все-таки, несмотря на то, что в настоящее время господствуют теории, исходящие из того, что масса фотона равна нулю, прямо доказать этого мы не можем. Если бы масса фотона не была бы равна нулю, то скорость не была бы постоянна, но с теоретической точки зрения могло бы существовать число c, которое бы было максимальной возможной скоростью света и все равно можно было бы спрашивать, постоянно ли c.
Раньше было, что метр и секунда были определены несколькими разными способами, отличными от нынешнего, в соответствии с методами измерений, существовавшими в то время. В будущем методы могут снова поменяться. Обратившись к 1939 г, мы увидим, что секунда определялась, как 1/84 600 ная часть средней продолжиетльности солнечного дня, а метр определялся как длина между двумя рисками на платиново-иридиевом стержне, хранящемся во Франции. Сейчас мы знаем, что средняя длина солнечного дня изменяется, так как измерили ее при помощи точных атомных часов. Стандартное время иногда подводится на секунду вперед или назад, чтобы отразить этот факт. Кроме того, вращение Земли постепенно замедляется, примерно на 1/100 000 ную долю секунды в год, из-за тормозящего действия сил притяжения между Землей, Луной и Солнцем. А в длинне металлического стержня возможны еще большие изменения из-за расширения материала. Все это приводило к тому, что скорость света, измеренная в м/с со временем медленно изменялась. Ясно, что такое изменение скорости более естественно считать проявлением изменения единиц измерения, чем самой скорости света, но точно также глупо утверждать, что сейчас скорость света неизменна потому, что система СИ так определила единицы, что она стала постоянной.
Определения СИ просто показывают нам, насколько важно сначала четко понимать, что мы подразумеваем под постоянством скорости света, прежде чем будет можно ответить на этот вопрос. Сначала надо договориться, когда мы измеряем скорость света, что используется в качестве стандартной линейки и стандартных часов. В принципе, мы можем столкнуться со значительными расхождениями между результатами измерений сделанных в лаборатории, с результатами астрономических наблюдений (одно из первых измерений скорости света было сделано Оле Кристенсеном Рёмером в 1676 г. при наблюдении видимой разницы в продолжительности затмений спутников Юпитера).
Если, к примеру, принять определение единиц такими, какие они были между 1967 и 1983 гг. Тогда метр был определен как 1 650 763,73 длин волны красно-оранжевого света, испускаемого атомом криптона-86, а секунда была определена, как и в настоящее время, как 9 192 631 770 колебаний излучения, соответсвущего переходу между двумя свехтонкими уровнями а атоме цезия-133. В отличие от ранее упомянутых определений, эти построены на абсолютных физических величинах, имеющих смысл всегда и везде. Можем ли мы сказать, постоянна ли скорость света в этих единицах?
Из квантовой теории мы знаем, что эти частоты и длины волн в основном зависят от значений постоянной Планка, масс электронов и нуклонов, а значит, эти параметры влияют и на скорость света. Исключая из параметров размерные единицы, мы можем придти к нескольким безразмерным величинам, навроде постоянной тонкой структуры или отношения массы протона к массе электрона. Они не зависят от единиц измерения и потому намного разумнее спрашивать, изменяются ли они. Если бы они изменились, то изменилась бы не только скорость света. Вся химия зависит от значений этих постоянных и потому значительные изменения произошли бы в химических и механических свойствах всех веществ. Вдобавок, скорость света изменилась бы по-разному в зависимоти от того, какие определения единиц мы бы выбрали! В этом случае также разумно считать, что причиной изменений является не изменение самой скорости света, а изменение заряда электрона или масс частиц.
В любом случае, опыт достаточно хорошо убеждает нас, что эти величины не изменялись на протяжении большей части жизни Вселенной.
[Кстати, постоянная тонкой структуры изменяется в зависимости от масштабов энергий, но здесь шла речь о ее низкоэнергетичном пределе]
Что считает специальная теория относительности?
Другое предположение, взятое за основу в системе СИ — это то, что специальная теория относительности верна. Основным постулатом теории относительности является то, что скорость света постоянна. Данное утверждение распадается на две части:
- Скорость света не зависит от движения наблюдателя.
- Скорость света не меняется в зависимости от места или времени.
Мысль о том, что скорость света не зависит от скорости наблюдателя очень противоречит нашим интуитивным представлениям. Некоторые люди вообще отказываются принимать, что это возможно с точки зрения логики, но в 1905 г. Эйнштейну удалось показать, что все совершенно логично, если быть готовым отказаться от предубеждений об абсолютном характере пространства и времени.
В 1879 г. думали, что свет должен распространяться по особой среде, точно так же, как звук распространяется по воздуху и другим веществам. Эту среду называли эфиром. Двое ученых, Майкельсон и Морли, поставили опыт в котором попытались обнаружить эфир, измеряя разницу в скорости света по мере того, как Земля меняет направление своего движения в течение года. К их удивлению, обнаружить различие в скорости света не удалось.
Тогда Фитцджеральд предположил, что причиной тому является сокращение экспериментальной установки при движении сквозь эфир, в точности компенсирующее изменение скорости света. Лоренц далее развил это предположение, добавив к нему замедление хода часов так, чтобы движение эфира оказывалось совершенно ненаблюдаемым. Затем Эйнштейн доказал, что эти искажения можно объяснить искажением самих пространства и времени, а не физических объектов и что, таким образом, абсолютность пространства и времени, введенная Ньютоном, должна быть отвергнута. Сразу после этого математик Минковский показал, что теория относительности Эйнштейна может быть понята как неевклидова геометрия в 4-мерном пространстве-времени.
Окончателная теория не только математически и логически самосогласована, но подтверждается и большим количеством прямых опытов. Опыт Майкельсона и Морли много раз повторяли, со все большей точностью. В 1925 г. Дэйтон Миллер объявил, что он обнаружил-таки изменение скорости светы и он даже был удостоен нескольких наград за это открытие, но проведенная в 1950 г. экспертиза его работы показала, что наиболее вероятно, что причиной обнаруженных им явлений были суточные и годичные изменения температуры установки, то есть, его результаты были признаны ошибочными.
При помощи современного оборудования легко можно было бы обнаружить движение эфира, если бы он существовал. Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/с, поэтому, если справедливо векторное сложение скоростей, как этого требует механика Ньютона, то в определении метра в системе СИ последние 5 цифр скорости света были бы бессмысленными. Сегодня в физике высоких энергий в ЦЕРНе и лаборатории Ферми ежедневно ускоряют частицы до скоростей на волосок отличающихся от скорости света. Если бы скорость света зависела бы от скорости системы отсчета, это было бы давно обнаружено, если конечно эта зависимость на самом деле не является ничтожной.
Что считает общая теория относительности?
В дальнейшем Эйнштейн развил теорию относительности более общего назначения, которая объяснила гравитацию как проявление искривления пространства-времени и показал, что скорость света в этой новой теории изменяется. В 1920 г. в своей книге "Относительность: частная и общая теории" он писал: …согласно общей теории относительности, закон постоянства скорости света в вакууме, представляющий собой один из двух главнейших предположений частной теории относительности, … не может быть безусловным. Кривизна лучей света может наблюдаться только если скорость его распространения изменяется с местоположением. В оригинале речь идет о векторе скорости, то есть, о направленном объекте, поэтому сразу не очевидно, утверждал ли Эйнштейн, что меняется и длина вектора, а не только направление. Однако ссылка на специальную теорию относительности показывает, что утверждал. Хотя это и верно, но современная интерпретация такова, что скорость света постоянна и в общей теории относительности.
Проблема тут в том, что скорость — это величина, которая зависит от координат, то есть, она в некотором смысле неоднозначна. Чтобы определить скорость (расстояние делить на время) сначала надо выбрать какие-то стандарты измерения расстояний и времен. Разные стандарты приведут к разным результатам. Это уже так в специальной теории: если измерить скорость света в ускоренной системе отсчета, то получится значение, отличное от c.
В специальной теории постоянство скорости света утверждается лишь с точки зрения инерциальных систем отсчета. В общей теории это утверждения расширяется до утверждения о постоянстве скорости света в любой свободно падающей системе отсчета (в области, достаточно малой, чтобы можно было пренебречь приливными силами). В вышеупомянутом отрывке Эйнштейн говорит не о свободно падающей системе, а о системе, неподвижной относительно источника гравитации. В такой системе скорость света может отличаться от c в основном из-за влияния гравитации (кривизны пространства-времени) на часы и линейки.
Если общая теория относительности верна, то постоянство скорости света в инерциальных системах отсчета становится синонимом геометрических свойств пространства-времени. Причинная структура Вселенной определяется геометрией нулевых векторов. Движение со скоростью c означает движение по мировым линиям, касательным нулевым векторам. Применение c для преобразования между метрами и секундами, как в определении метра в системе СИ, совершенно оправдано как с практической, так и с теоретической точки зрения, ведь c это не столько скорость движения света, сколько фундаментальная особенность геометрии пространства-времени.
Как и для частной теории, предсказания общей теории относительности были подтверждены во множестве различных опытах.
В итоге можно сказать, что скорость света не просто постоянна. Более того, в свете хорошо проверенных теорий оказывается, что предположение о том, что она может измениться — просто бессмысленны!
*Строго говоря, показатель преломления не всегда больше единицы. Например, для рентгеновских лучей он почти всегда меньше единицы. Происходит это потому, что так называемая фазовая скорость рентгеновских лучей в среде больше скорости света, а показатель преломления это отношение именно фазовой скорости. Скорость же самих фотонов — это так называемая групповая скорость, которая всегда меньше c (конечно, кроме тех случаев, когда это не так :-). Для простоты в этом ответе мы эту тонкость не рассматриваем. См.