第一節(jié)　歷史長河中的光學

美麗的極光

在人類社會漫長的歲月長河中，人們對光學的研究和探索可以追溯到2000多年前，那時人們已經(jīng)開始思索“人為什么能看見周圍的物體”之類的一些問題。大約在公元前400多年，中國戰(zhàn)國時期的墨子在他的傳世之作《墨經(jīng)》中記錄了世界上最早的光學知識，它在《墨經(jīng)·光學八條》中詳細地論述了影的定義和生成、光的直線傳播性、針孔成像，用嚴謹?shù)奈淖钟懻摿似矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系。

之后，隨著社會的不斷進步，無論是在古老的東方還是西方世界，各國的科學家們都對光學進行了不斷地探索和研究，做出了許多發(fā)明。公元11世紀的阿拉伯人伊本·海賽木發(fā)明了透鏡，16世紀末到17世紀初，詹森和李普希幾乎同時獨立發(fā)明了顯微鏡。

不過，在所有的發(fā)明和研究成果中，最具價值的應該是“光的反射定律和折射定律”的提出。大約在17世紀上半葉，科學家菲涅耳和笛卡兒在經(jīng)過長期的光學實驗和研究后，第一次系統(tǒng)而完整地論述了光的反射和折射現(xiàn)象，這便是今天我們所熟知和慣用的反射定律和折射定律。

笛卡兒（1596—1650）

照明臺燈

18世紀，物理光學有了進一步的發(fā)展，其中，最為著名的是以牛頓和惠更斯為代表的“光的微粒說”和“光的波動說”理論以及由此而引發(fā)的物理學史上著名的光的波動說與微粒說之爭。當時，這兩派的支持者們堅持用自己所信仰的學說來解釋生活中的一些光學現(xiàn)象，而排斥另一種學說。不過他們各自都在“光的波粒之爭”的過程中發(fā)現(xiàn)，無論是哪一種學說，都不能完全地解釋所有的光學現(xiàn)象，這一問題直到19世紀初，波動光學“惠更斯·菲涅耳原理”的提出才得以解決。人們發(fā)現(xiàn)通過“惠更斯·菲涅耳原理”理論，不僅可以圓滿地說明光的干涉和衍射現(xiàn)象，同時也能很好地解釋光的直線傳播特性。自然，這也從側(cè)面證明了之后的“光的波粒二象性”理論學說。

惠更斯（1629—1695）

菲涅耳（1788—1827）

電磁波譜示意圖

在經(jīng)歷了光的波粒之爭后，光學的研究，開始轉(zhuǎn)向電磁場方面。1846年，英國著名科學家法拉第發(fā)現(xiàn)了“光的振動面在磁場中發(fā)生旋轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。十年后，德國物理學家韋伯于1856年提出“光在真空中的速度等于電流強度的電磁單位與靜電單位的比值”。這一發(fā)現(xiàn)，表明了光學現(xiàn)象與磁學、電學現(xiàn)象間有一定的內(nèi)在關(guān)系，同時，它也是“光是電磁波”理論的重要依據(jù)。約在1860年，另一位科學家麥克斯韋提出了著名的電磁理論，并指出“光就是這樣一種電磁現(xiàn)象”，這一結(jié)論在1888年被赫茲的實驗所證實。不過，他的這一理論并不能解釋“能產(chǎn)生像光這樣高的頻率的電振子的性質(zhì)及光的色散現(xiàn)象”，這一疑惑，直到1896年洛倫茲電子論創(chuàng)立后，人們才完全弄清楚。不過，“洛倫茲電子論”也有其片面性的一面，對于像“熾熱的黑體輻射中能量按波長分布”這樣重要的問題，它不能給出令人滿意的解釋。

法拉第（1791—1867）

麥克斯韋（1831—1879）

普朗克（1858—1947）

真正意義上的近代物理學是以“量子物理學”的創(chuàng)立為標志的。1900年，德國物理學家普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用“不連續(xù)性”的概念，提出了輻射的量子論學說。他指出，各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，他把這種能量微粒稱之為量子（光的量子即光子）。量子論的說法，不僅能很自然地解釋“灼熱體輻射能量按波長分布的規(guī)律”，而且還以全新的方式說明了光與物質(zhì)相互作用的整個過程。因此，從這個角度來看，量子論不但給光學，也給整個物理學提供了新的概念。

知識小百科

乙太

乙太有時又譯為“以太”，是古希臘哲學家所設(shè)想的一種被假想的電磁波的傳播媒質(zhì)，后來被證明不存在。

乙太存在的模擬圖

光量子學的提出是物理學史上的一次巨大變革，它結(jié)束了經(jīng)典物理學一統(tǒng)天下的局面。1905年，愛因斯坦運用普朗克量子論學說解釋了光電效應，而且他還在這一年的5月，在德國《物理學年鑒》上發(fā)表了《關(guān)于運動媒質(zhì)的電動力學》一文，第一次提出了“狹義相對論基本原理”。他在文章中指出，從伽利略和牛頓時代以來占統(tǒng)治地位的古典物理學，其應用范圍只限于速度遠遠小于光速的情況，而他的最新的狹義相對論可解釋與很大運動速度有關(guān)的過程特征。在這一篇文章里，愛因斯坦完全放棄了“以太”的概念，從而圓滿地解釋了運動物體的光學現(xiàn)象。

這樣，到了20世紀初，科學家們一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運動物體的光學現(xiàn)象中，確切地證實了“光本身就是一種電磁波”的說法；同時，又從熱輻射、光電效應、光壓以及光的化學作用等角度，無可懷疑地證明了光的量子性，即光的微粒性。

在后來的研究和理論上，“光”這種既具有波動性又有粒子性的特點無可爭辯地證明了一種現(xiàn)象，即不僅光有這種兩重性，而且世界的所有物質(zhì)，包括電子、中子、質(zhì)子、原子等，以及一切宏觀事物，也都具有與其本身質(zhì)量和速度相聯(lián)系的波動的特性。

自此之后，光學便開始進入了一個嶄新的時期，它現(xiàn)在是現(xiàn)代物理學和現(xiàn)代科學技術(shù)前沿的重要組成部分。