您有没有沉到游泳池底，抬头仰望过水面？头顶上方的天空看起来像一扇圆窗，而圆窗外侧的水面则像镜子一样映出池底的样子。这是因为水中的光无法穿出水面而全部返回，这种现象正是“全反射（Total Internal Reflection）”。
简单来说，全反射是指“光从折射率较大的物质射向折射率较小的物质时，如果射到界面上的角度大于某个值，就无法穿出而被全部反射的现象”。它不需要镜面涂银，就能把光毫无损失地送回去，因此被广泛用于远距离传输光，或把光折向想要的方向。
本文将依次介绍全反射发生的原理、它最初在水流中被发现的历史、支撑互联网的光纤，以及钻石和双筒望远镜等日常生活中的例子。
把光困住的全反射：原理与应用
什么是全反射？
光在不同物质中传播的速度不同，所以从一种物质进入另一种物质时，会在界面处改变方向。这就是折射，而全反射则出现在这种折射再也无法发生的时候。
（1）折射率与斯涅尔定律（Snell’s Law）
折射率表示光在某种物质中比在真空中慢多少，空气约为1.0，水约为1.33，玻璃约为1.5。根据17世纪初荷兰的威理博·斯涅尔（Willebrord Snellius）总结的定律，设两种物质的折射率为n1、n2，则n1 × sin(入射角) = n2 × sin(折射角)成立。
（2）临界角（Critical Angle）
从水射向空气的光，在界面处会更向水面一侧倾斜偏折。逐渐增大入射角，就会出现折射光恰好贴着水面前进的时刻，此时的入射角就是临界角。入射角一旦大于临界角，光就一束也穿不出去，全部被反射回内部。
- 从水到空气（Water to Air）：临界角约为48.6度。
- 从玻璃到空气（Glass to Air）：临界角约为42度。
- 从钻石到空气（Diamond to Air）：临界角约为24.4度，非常小。
全反射只会在光从折射率大的一侧射向折射率小的一侧时发生。从空气射入水中的光，无论照射得多么倾斜，都不会发生全反射。
沿着水流弯曲的光
在人们认为光只会沿直线传播的年代，最早证明光能沿着弯曲路径前进的人，是瑞士物理学家丹尼尔·科拉顿（Daniel Colladon）。1841年，他在日内瓦大学讲授从水桶小孔喷出的水流时，为了让水流在昏暗的讲堂里看得更清楚，便从水桶后方汇聚阳光照射过去。
结果，光被困在沿抛物线落下的水流中，随之一起弯曲前进，并在水流散开的末端闪烁着射出。这是因为射到水流内壁的光，以比临界角更倾斜的角度撞击内壁，不断发生全反射。科拉顿于1842年在法国科学院的学术期刊上报告了这个实验。
- 丁达尔的演示（Tyndall’s Demonstration）：1854年，英国的约翰·丁达尔（John Tyndall）在伦敦皇家研究院的讲座中展示了同样的实验，使其广为人知，因此一度被误传为丁达尔最先发现。
- 发光喷泉（Luminous Fountain）：19世纪后期，伦敦和巴黎的大型博览会利用这一原理，让喷泉的每一道水柱都载着光，打造出华丽的灯光喷泉。
光纤：用光连接世界
全反射发挥最大作用的地方是光纤（Optical Fiber）。光纤是像头发一样细的玻璃丝，由折射率稍大的中心部分和包裹在外、折射率稍小的外层构成。
（1）纤芯与包层（Core and Cladding）
光信号沿着中间的纤芯前进，每次倾斜地撞到界面时都会发生全反射，回到内侧。所以即使光纤平缓弯曲，光也不会外泄，能跑上几十公里。
（2）挑战清澈的玻璃
1966年，高锟（Charles K. Kao）和乔治·霍克汉姆（George Hockham）发表论文指出，只要把玻璃中的杂质充分去除，就能把每公里的光损耗降到20分贝左右，从而用于通信。20分贝意味着经过1公里后仍剩下百分之一的光，而当时最透明的玻璃每公里损耗约200分贝。1970年，美国康宁（Corning）公司的研究团队制成了把损耗降到约17分贝的光纤，超越了这一目标，高锟也因此获得2009年诺贝尔物理学奖。
如今横跨海底连接各大洲的海底电缆也由光纤制成，我们收发的大部分数据都乘着全反射的光往来。
日常生活中的全反射
在实验室和通信网络之外，全反射也就在我们身边。它不需要镀银镜面就能把光完整送回，凭借这一优点被用于多种光学仪器和宝石切割。
- 钻石（Diamond）：临界角小，约为24.4度，从上方射入的光会在多个刻面上反复全反射，最后汇聚到顶面射出。明亮式切工（brilliant cut）的多角刻面正是为了把这种效果发挥到极致而设计的，造就了钻石特有的闪耀。
- 双筒望远镜棱镜（Binocular Prism）：双筒望远镜里的直角棱镜摆放成让光以45度射入。这个角度大于玻璃约42度的临界角，所以不用镜子也能使光转向，把像正过来。
- 斯涅尔窗（Snell’s Window）：从水中向上看，水面以上的整个世界都被收进一个宽约97度的圆里，而圆外侧的水面则像镜子一样映出水下的景象。天空只在临界角48.6度的两倍范围内敞开。
- 内窥镜（Endoscope）：细光纤束把光送进体内并传回影像，让人无需切开就能看到胃或肠道内部。
全反射是光从折射率大的物质射向折射率小的物质、以比临界角更倾斜的角度撞击界面时，一束也不外泄地返回的现象。这一始于一间讲堂里一道水流的发现，如今仍在光纤、内窥镜和闪耀的宝石中开辟着光的道路。知道光无法逃逸的角度，也就能设计光前进的道路。
理解光在界面上返回的性质，正是驾驭光的技术的第一步。
