4.1   第一个实验

• 我们注意到光线在水里面来回反射了好几次。如果你把一张薄薄的白纸放在小水缸顶上，并不能看到任何激光的光斑。这表明，没有任何激光能透过水的表面，它们全部都被反射了。这个时候，看似透明的水面变成了一面最完美的镜子。

• 这个现象叫做全反射。是光从折射率比较大的物质（此处是水）到折射率比较小的物质（此处是空气）发生的一种现象（见下面的示意图，蓝色区域代表水，空白区域代表空气）。现在的光纤之所以可以长距离输送信号（甚至跨海跨洋），就是因为光在光纤中是通过全反射传播的，光信号强度损失得非常小。当然，你也可能注意到，图一中光线强度随着光的传播确实是减弱了，这与“强度损失的非常小”相矛盾吗？不相矛盾。因为虽然反射的过程中没有光线损失，在传播的过程中，光线被水中的微小颗粒散射，从而导致光强的损失。光在光纤中的传播也会与光纤玻璃中的杂质散射，使光强随传播距离衰减。实际上，前年获得诺贝尔物理学奖的高锟先生的主要工作就是从理论和实验上研究了如何减少光纤的衰减。在他的工作之前，光在当时的光纤中衰减的非常厉害，每传一米光强就会打个八折。 根本无法用于远距离传输，只能用来做胃镜之类的（给姚明做胃镜可能效果都不理想）。当时（上世纪60年代）很多人都不看好这种通讯技术。正是高锟先生的研究工作使光纤变得实用，而开启了光通信时代的大门。

4.2   第二个实验

• 冰糖在水中融化以后，并不能均匀分布在水中，而是靠近水底的地方浓度大，越往上浓度越低。而含糖越高的水折射率越大。光从折射率小的物质进入折射率大的物质时会弯折。而如果这种折射率是连续变化的，那么光线就会呈现出一道完美的弧线。

• 折射示意图

• 当越深的水有越大的折射率时，光线就会呈现一道向下弯曲的弧线
• 通过测量这道弧线的各处的斜率，我们还能推算出各处的折射率。用一些已知的折射率与糖浓度的关系，我们还能求出糖浓度随高度的变化，并可以用热力学中的玻尔兹曼分布作拟合，求出溶解在水中的糖分子团的质量。当然，这就留给喜欢钻研的朋友了。

4.3   第三个实验

• 欧洲的物理学家在19世纪就注意到光线会被“束缚”在水流中。他们用这个现象来装饰夜晚的喷泉。现在我们知道了，这就是现代光纤的鼻祖。正是由于光在水流和空气的边界上发生了全反射，光线才能随着水流流动。你可能会注意到，小孔出水速度比较慢的时候，光线就不能随着水流动了。喜欢钻研的朋友或许还能算出这种情况发生在多大的水流速度，并与实际观察到的现象比较。物理科学的最大乐趣莫过于能精确描述或预言一种实验现象了。当年爱因斯坦的广义相对论的某一个预言被英国天文学家的观察精确验证之后，爱因斯坦写信给朋友说，这几天我高兴的都不知道该怎么办才好了。