太空中的物質密度變化會引起光線折射嗎？

01-23

自己想了想，可以肯定的是星際空間的物質（星際塵埃啥的），對光線的幾乎沒啥影響，因為我們能觀測到幾十億光年外的星光，我現在想知道的是恆星附近，例如太陽日珥附近的物質能折射光線嗎？如果能會不會產生類似引力透鏡的效應，這也是我問這個題目的初衷。（以下是原命題）
如題，即使太空中有極少的物質也會有密度的變化，比如太陽風，我想知道的是，像太陽風，星體周圍太空的物質密度變化會不會引起光線的折射現象？非專業人士希望大神解答

謝邀，鑒於本人不是太陽物理方向的，故僅從基礎天體物理知識來做一點解答，若有錯誤見諒

這裡題主的問題其實有兩個：

1. 太陽風以及其他恆星附近的物質噴射能否產生光線折射；

2. 若有光線折射，是否可以造成類似於引力透鏡的效果

下面分別對這兩個問題做出解答。

1. 太陽風是否會產生光線折射

太陽風的基礎構成即為電子和質子構成的等離子氣體，所以這個問題的根本，要從光在等離子介質中的傳播講起

在均勻等離子介質中的光速(群速度)見下公式

$v_g = frac{c^2 k}{(omega_p^{2} +c^2 k^2)^{1/2}} = cleft(1 - frac{omega_p^2}{omega^2} ight)^{1/2}$

其中 $omega_p$ 與介質密度和基礎電量相關，而 $omega$ 則是通過該介質的電磁波的角頻率，那麼我們可以看出，這裡的光速是受到頻率影響的，所以也叫做色散關係（不同頻率/顏色的光速度不同）

我們知道折射率 $n = frac{c}{v}$ ，那麼答案很明顯，太陽風，甚至星際間介質（ISM）都會產生光線折射，區別只在於強度大小

2. 是否可以產生類似於引力透鏡的效應

引力透鏡的基礎理論樓上已經有詳細講解這裡不再贅述，這裡要從兩方面來考慮這個問題

1）引力透鏡包括恆星級天體產生的強引力透鏡和星系級天體造成的弱引力透鏡兩種，其中恆星級天體（如類星體）的引力透鏡會產生有名的「愛因斯坦環」，弱引力透鏡則只會對背景光源的像產生一些扭曲和位移。

首先我們假定太陽風折射可以產生背景虛像，從形態上來說，由於太陽風受太陽磁場影響，在兩磁極方向的強度較高從而無法做到像恆星引力場那般球對稱，所以必然會產生不同於強引力效果的觀測結果；同時太陽風強度非常不穩定，隨時間變化明顯故而無法持續穩定的觀測透鏡效果。

然而以上這些都不是最關鍵的區別！從前一節我們已經了解到，被介質所折射的光線必定出現色散效果，這意味著不同頻段的觀測結果會有很大的差異（特別是對於位置與角度極其敏感的透鏡效應）；而引力透鏡模型中，光子無論頻率，在引力場中運動的軌跡都是相同的（沿測地線），於是全頻段的觀測都可以看到透鏡效果。

2）觀測的可行性。

相對於爆髮式的強太陽風，穩定的持續太陽風似乎更可能產生可觀測的稜鏡效應，那麼我們可以採取數量級估算的方式來檢查一下這樣的折射究竟有多強。

弱太陽風的粒子速度約為400km/s~750km/s，粒子密度約為&<10/立方厘米（引用自wikipedia），代入色散公式計算得（取可見光波段）

$v = 0.999999999999988 c$

考慮成一個球形的透鏡，代入凸透鏡公式（雖然遠遠不算薄透鏡了但是估算距離還是可用的）

我們可以得到焦距約為 $2.43e^{19}$ km，即太陽系尺度。對於這樣的「放大鏡」，要觀測到虛像則物體必須在太陽系內，而太陽系內沒有其他強光源，即使勉強成像，也會被太陽本體遮擋。所以，即使假設這種折射可以成像，很遺憾並不具備可以觀測的條件。

綜上所述，太空中不同密度的物質必然會產生光線折射(雖然很弱)，然而並不會產生可能與引力透鏡相混淆的效應。回答結束

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修正透鏡描述，結論不變

一個科普比較多的例子，物質的密度變化導致空間的彎曲。產生引力透鏡效應。

引力透鏡效應是普遍存在的，這一點毋庸置疑，只是要達到可觀測效應需要超大的密度差異，在人類捉雞的測量手段下，即使太陽整體產生的效應觀測起來也十分勉強，更罔論太陽上的一個日珥了。

如果只是這些我也就不必回答了，有趣的地方在於太空中那些未存在天體的廣漠空間。這片稀薄的被等離子體統治的區域擁有著迷人的特性。

不過在回答之前還有些基本內容要說明，第一是太空中物質密度變化很大，太陽周邊和行星際和太陽系外都有幾個數量級的差異，原因就是太陽風的不均勻分布。數量級的差異帶來物理性質的變化，不過好在空間足夠廣，物質足夠稀疏，以下就不用分情況討論了。

第二是什麼是光線？光是電磁波，電磁波的頻率範圍極廣，而光是其中頻率極高的部分，頻率高意味著準直性好和衰減快，太空的密度低保證了準直性同時也讓衰減變得極小。不過其它頻率的電磁波就不行了，該色散色散，該吸收吸收。

第三是最關鍵的折射。一般來說折射是幾何光學的概念，物質密度與日常生活相近，這時可見光會在密度變化的區域會發生顯著的路徑改變，核心在於不同物質中的光速差異，物理機制上要求電磁波和物質原子相互作用，原子對光有吸收再發射的過程。引力透鏡的折射其實是這一概念的借用，現象相似但原理的差異巨大。

那麼日常的折射在太空中存在嗎？不幸的是嚴格來說不存在。在太空中絕大部分物質以等離子體形式存在，原子核和電子分離，原子核吸收的電磁波在X射線波段，與可見光相差甚遠，而吸收可見光的原子又不存在，所以物理過程是根本不能發生的。

但等離子體對電磁波同樣有作用，其中一個效應就是影響電磁波的傳播速度，影響的程度和頻率有關。其它答案里有給出公式的，不過那是無磁場時的形式，在磁場中等離子體的色散關係更為複雜，沿磁場方向和垂直磁場方向有截然不同的折射率。不過有一點是相同的，頻率越高受影響越小，在可見光波段其影響完全可以忽略。

如果非要較真其它波段的電磁波會有什麼行為，我一句話不說你們肯定不高興，我說有折射這是有偏差的，作為一個空間物理學的學生，我要告訴你們，在不同的密度中，方向的變化是肯定有的，但是吸收也是很重要的，這種方向有變化的低頻電磁波，早就被吸收的七七八八，想觀測是沒什麼可能了。

理論上來說是會產生的。一般來說，光線發生折射是因為媒介折射率的改變，如果太空中各處折射率不均勻，那麼光線不再是直線，但其彎曲程度極小，一般可忽略不計。還有一種彎曲來自於引力，這裡參照另外一個答案。

引力透鏡主要還是大質量物體引起空間的彎曲從而導致光的運動軌跡發生彎曲從而形成透鏡的效果。

光具有波粒二相性，但光子的靜止質量為0，光在引力場附近發生彎曲是廣義相對論的導出結果，因為物質的密度分布引起空間的不同曲率彎曲。這一結果在上世紀50年代的日全食觀測中得到證實

謝邀

這是肯定了，物質密度會影響光的折射

追加：

當光子無限接近玻璃分子時,因為光子非常小,所以光子和玻璃分子的距離R可以非常小,使得光子和玻璃分子之間的那種引力作用很明顯.改變了光的速度和方向,這就是折射.

如果光垂直射入玻璃,F的方向和光速方向相同,所以光的方向不變. 如果入射角非常大(大於全反射臨界角),則光不能擺脫F的束縛,發生全反射現象.

介質的折射率是由什麼決定的呢?分子質量密度(就是分子的質量/分子的體積)是一個十分重要的因素分子質量密度越高,折射率就越大.因為引力的大小決定於兩個物質的質量和兩物質之間的距離，分子的體積大了，分子與光之間的距離也就大了，引力就小了。

一般上講,如果結構十分相似,原子量大的元素構成的物質的分子質量密度較大,如二氧化硫的分子質量質比二氧化碳的大.

通常情況下,單原子分子(單質)的分子質量密度比多原子(化合物)的分子質量密度大,如金剛石的折射率很大,碘晶體的折射率更大(常見物質中最大）