兩種類型的光學(xué)

光學(xué)研究光的產(chǎn)生與傳播、光的變化，以及與光相聯(lián)系的其他一些現(xiàn)象。光學(xué)包括兩個(gè)頗有特色的分支，即幾何光學(xué)與物理光學(xué)。

幾何光學(xué)

幾何光學(xué)是不探討光的本質(zhì)，而只討論它的光學(xué)成像與傳播等性質(zhì)的光學(xué)分支。

我們先來看看光學(xué)成像。我們?cè)诎滋煲粡堥_眼睛就能看到光，其實(shí)這時(shí)候看到的并不是“光”，而是物體，例如一棵枯樹、一位美人或者一只加菲貓，然而我們看到的也并不真是物體，而是物體的光學(xué)成像。也就是說，是物體在光的幫助之下，與光結(jié)合在一起，形成自己的光學(xué)影像，而我們?nèi)说难劬δ軌蚋杏X這個(gè)光學(xué)影像，這就是我們能看到暴露于光底下的物體的原因。

對(duì)于幾何光學(xué)而言，它另一個(gè)主要的內(nèi)容是光的傳播。我們知道，光線是能夠傳播的，它能夠在各種各樣“透明”對(duì)象里傳播，例如空氣、水、玻璃等，這時(shí)候就有三個(gè)定律，這也就是幾何光學(xué)的三大定律：

第一個(gè)定律是光的直線傳播定律：光在均勻的介質(zhì)里沿直線傳播。均勻的介質(zhì)我們可以近似地看做是同一種介質(zhì)，例如水和空氣。在這同一種介質(zhì)里傳播時(shí)光的路線是直線。

從電影放映機(jī)里放射出來的耀眼的光芒。

第二個(gè)是反射定律。即反射時(shí)光的入射線、反射線和法線在同一平面內(nèi)，入射角等于反射角。見圖A，IO是入射線，RO是反射線，NO就是法線了。

第三個(gè)定律是折射定律。光通過不同介質(zhì)的界面時(shí)要產(chǎn)生折射，其入射線、折射線與法線在同一平面內(nèi)。見圖B，IO是入射線，OT則是折射線。

這些定律我們?cè)谥袑W(xué)物理中都學(xué)過了，幾何光學(xué)的內(nèi)容復(fù)雜得很，遠(yuǎn)不止我們?cè)谶@里所說的這些內(nèi)容。有的內(nèi)容簡(jiǎn)直令人拍案叫絕，例如我們都聽說過的全息圖像，它也是一種光學(xué)成像。不過是一種全新的成像技術(shù)，它于1948年由一個(gè)叫伽柏的人提出。

與傳統(tǒng)的需要透鏡的成像技術(shù)不同，這是一種兩步無透鏡成像技術(shù)，又稱為波陣面重建，即全息技術(shù)。所謂“全息”，我們可以看做是“全部信息”或者“全方位信息”的簡(jiǎn)稱，即這種成像技術(shù)能夠囊括對(duì)象的全部或者全方位的信息。比起傳統(tǒng)的成像技術(shù)來，它的確如此，因?yàn)樗傻膱D像是立體的，假如圖像拍的是一個(gè)人，那么我們看這個(gè)圖像就會(huì)像看一個(gè)真實(shí)的人一樣，可以從各個(gè)方面仔細(xì)地看，不但能看清楚他的臉，還能夠看清楚他的后腦勺，從而得到對(duì)象全方位的信息。

要得到全息圖像，要分兩步走：第一步是將一束參考光波與物體的衍射光波相互作用，再記錄下含有衍射光波的振幅和相位信息的圖樣，這也就是說，它們精確地全方位地記錄了對(duì)象的各種視覺信息。第二步是在另一個(gè)地方再用與原來相同的參考光波去照射那個(gè)全息圖，這時(shí)就能看到恍若原物的全息圖了。這是一種立體的、極為精確的圖像，雖然現(xiàn)在技術(shù)還不是很完善，但已經(jīng)令人驚嘆了。您可能看到過這種神奇的圖樣，例如在《星球大戰(zhàn)》系列電影里，從機(jī)器人阿圖身體里吐出來的美麗的莉阿公主立體圖像就是一種全息圖。

物理光學(xué)

物理光學(xué)講的是光的各種特征，或者說什么是光。光最基本的屬性是波粒二象性。關(guān)于光的本質(zhì)曾有過一場(chǎng)物理學(xué)史上著名的大爭(zhēng)論，爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是光到底是波還是粒子，也即光的波粒二象性之爭(zhēng)。

幽靈幻象
照在一個(gè)藏起來的演員身上的光從鏡子上反射到一塊斜置的玻璃上，然后再射到舞臺(tái)上。如果舞臺(tái)上一片黑暗，觀眾就發(fā)現(xiàn)不了這塊玻璃。他們所能看到的只是一個(gè)時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的幽靈。

最開始的時(shí)候，人們憑直覺認(rèn)為光是一些從人的眼睛里射出的小觸須，就像章魚的觸須一樣，讓我們看到萬事萬物。這種說法太過脆弱，稍有思想的人一想就能看出它的荒謬。例如為什么在黑暗中我們的眼睛就不能發(fā)出這樣的觸須了呢？于是又有人設(shè)想光是由物體發(fā)出的一些高速前進(jìn)的微小顆粒，當(dāng)它們進(jìn)入人的眼睛時(shí)就能使我們看見它們。之所以在黑暗中我們眼睛看不見東西，是因?yàn)檫@些物體并不是所有的時(shí)候都會(huì)發(fā)射出這種小顆粒呢。

這種觀點(diǎn)比前面的小觸須觀點(diǎn)當(dāng)然要合理一些，它可以算是一種原始的微粒說，它一直流傳了好久，直到17世紀(jì)。這時(shí)，一個(gè)了不起的物理學(xué)家、荷蘭的惠更斯提出了一種新的學(xué)說，即光的波動(dòng)說。他在其出版的《光論》一書中鮮明地提出光是以波的形式傳播的，他說：“像聲音一樣，光一定是以球面波的形式傳播的?！?/p>

波動(dòng)說能夠解釋一些光的粒子說不好解釋的問題，例如幾束光線在彼此交叉后會(huì)好像沒有受到任何影響一樣繼續(xù)各自前進(jìn)，要是粒子的話，它們?yōu)槭裁床换ハ嗯鲎?，使前進(jìn)路線產(chǎn)生變化呢？就像兩顆石子在空中相撞一樣？這個(gè)疑問確乎讓粒子說為難，但波動(dòng)說卻能很容易地解釋之。因?yàn)閮墒ㄔ谙嘤龊竽軌虮舜撕翢o阻礙地繼續(xù)前進(jìn)，好像沒有發(fā)生碰撞一樣。這種現(xiàn)象我們隨時(shí)可以在水面上看到，同時(shí)扔下兩顆石子就可以了。

惠更斯的理論提出來后，有人支持，也有人反對(duì)，反對(duì)者很快占了上風(fēng)，因?yàn)樗麄兡沁呌幸粋€(gè)很重要的人物，那就是比惠更斯小13歲的牛頓。

牛頓認(rèn)為光是一種微粒。并且用他的理論很容易地解釋了一些波動(dòng)說不能解釋的現(xiàn)象。例如影子，根據(jù)粒子說，光是一些微粒，它們是直線傳播的，因此，當(dāng)射到不透明的物體上后，會(huì)被反射或吸收掉，而物體周圍的光線則繼續(xù)前進(jìn)，這樣就必然會(huì)在身后留下物體的影子，而且這個(gè)影子就是物體的輪廓。倘若根據(jù)波動(dòng)說，波遇到阻礙后是會(huì)繞過阻礙物繼續(xù)按原樣傳播的。例如在池子里豎一根棍子，一列水波繞過它后，會(huì)立即在棍子后面形成新的完整的一列波，可不會(huì)留下一條棍子的痕跡呢。

實(shí)像變成了放大的虛像，這些可以讓人觀察細(xì)小物體時(shí)看得更清楚些。

按理說這兩種觀點(diǎn)各有所長，然而，由于它是偉大的牛頓提出來的，他可是科學(xué)界的教皇呀，于是幾乎所有科學(xué)家都跟著牛頓“走”了，這也使光的粒子說統(tǒng)治了歐洲科學(xué)家們的頭腦達(dá)百余年之久。再后來，英國物理學(xué)家馬斯·揚(yáng)指出光并非粒子，而是一種波，他的主要證據(jù)之一是觀察到光有干涉現(xiàn)象。

干涉是波的主要性質(zhì)之一，它指的是當(dāng)兩列或兩列以上具有相同頻率的波共存時(shí)，會(huì)形成振幅相互加強(qiáng)或相互減弱的現(xiàn)象，即在波峰與波峰疊加或者波谷與波谷疊加的地方，波的振幅就會(huì)加強(qiáng)，而波峰與波谷疊加的地方波的振幅則會(huì)減弱，這就是波的干涉。

光也有這種干涉現(xiàn)象嗎？正是，現(xiàn)在我們來做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

我們?cè)谧雷由戏派先龎K紙板，最前面的紙板中間有個(gè)小孔，它后面的紙板中間有兩個(gè)小孔，它們之間的距離很小，例如只有0.1毫米，而且與前面紙板上的小孔距離相等。如果光是一種波，那么當(dāng)它穿過第一個(gè)小孔、到達(dá)并且穿過后面兩個(gè)小孔后，由于穿過兩個(gè)小孔的光來自同一波源，且與第一個(gè)小孔的距離一樣，所形成的兩束光必定是有相同頻率的波，這樣就必定會(huì)產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象——如果光是波的話。

三棱鏡折射光

結(jié)果怎么樣呢？我們會(huì)在第三塊紙板上看到，投射到這塊紙板上的光明顯地是一些明暗相間的條紋。這就說明有干涉的存在：那些明的地方就是光波的波峰與波峰疊加或者波谷與波谷疊加的地方，因?yàn)椴ǖ恼穹玫郊訌?qiáng)，因此明亮；而暗的地方則是波峰與波谷疊加的地方，那里波的振幅減弱，因而變暗。

馬斯·揚(yáng)所做的實(shí)驗(yàn)與這個(gè)大致一樣，它有力地證明了光是一種波，使光再一次由微粒說走向了波動(dòng)說。

到19世紀(jì)中期，光的波動(dòng)說已經(jīng)得到了廣泛承認(rèn)，但被視為一種波的光仍有許多問題亟待解決。例如既然光是一種波，大家就認(rèn)為光這種波就像水波一樣要靠一種彈性介質(zhì)才能傳播。后來，一位偉大的物理學(xué)家麥克斯韋提出了電磁波理論并且指出光也是一種電磁波。不久，另一個(gè)大物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在，并且證明了電磁波與光波一樣也有反射、折射、干涉、衍射等性質(zhì)，甚至通過干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)出了不同頻率的電磁波的波長、電磁波的傳播速度等。結(jié)果與麥克斯韋的各項(xiàng)預(yù)言均一致，證明了麥克斯韋的理論。我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，光只是電磁波的一部分，叫可見光，此外還有紅外線、紫外線、X射線、無線電波、γ射線等，它們合起來就構(gòu)成了范圍十分廣闊的電磁波譜。后來又發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，它又證明光是一種粒子。所謂光電效應(yīng)就是在光的照射下從物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)，發(fā)射出來的電子就叫光電子。

這時(shí)候就產(chǎn)生了將兩種學(xué)說統(tǒng)一起來的想法。這種想法在原來是不可想象的，因?yàn)椴▌?dòng)說與粒子說被認(rèn)為是兩種互相矛盾的學(xué)說。然而，光子卻明顯地同時(shí)具有這兩種屬性，這簡(jiǎn)直是強(qiáng)迫人們改變老觀念，接受新現(xiàn)實(shí)。

我們現(xiàn)在當(dāng)然接受了光的波粒二象性，您也許想知道，這兩種屬性到底是怎樣在光那里統(tǒng)一起來的呢？現(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)解決這個(gè)問題。這是因?yàn)?，光雖然是由無數(shù)微?！庾印M成的，但它同時(shí)總是一大堆光子一起運(yùn)動(dòng)，我們看到的哪怕最小的光柱也由無數(shù)光子組成。當(dāng)這些光子運(yùn)動(dòng)時(shí)，并非像一條直線一樣往前沖，而是排成一定的規(guī)律前進(jìn)，具體地說，是排成波的形式前進(jìn)。這就使得光既呈現(xiàn)波的特性，又呈現(xiàn)粒子的特性了。

我覺得這其實(shí)好理解，就像水波一樣，請(qǐng)問，水波是一滴水珠構(gòu)成的嗎？當(dāng)然不是，它是由無數(shù)的小水珠組成的，它們本來是一個(gè)個(gè)的“粒子”，但由無數(shù)這樣的水“粒子”結(jié)合在一起，就組成“水波”了。

以上就是光的波粒二象性及人類認(rèn)識(shí)之的曲折歷程。

凸透鏡和凹透鏡的工作原理