
上帝說,要有光,於是便有了光。光的量子性可以解釋光的產生和吸收規律。
要談光的傳播規律,首先要明白光的本質是一種電磁波。光的傳播規律,也就是電磁波的傳播規律。人類真正理解電磁波,耗時漫長。
兩千多年前,人類發現摩擦後的琥珀能吸引微小物體、磁石能吸鐵。後來,甚至能用指南針進行各種航海活動,卻並不通曉這些「電磁現象」背後的本質。
直到1785年,庫侖創立了電荷之間相互作用力的數學關係式,這才有電學發展史上的第一個定量規律。
1820年,奧斯特發現電流能產生磁場。同年,安培計算出兩個電流之間的相互作用力,並給出電流產生磁場的數學表達式。
1831年,自學成才的天才實驗科學家法拉第,發現了電磁感應現象,並提出時變磁場產生時變電場的理論學說,由於他數學功底欠缺,未能將其成果表示成精確的定量理論。1845年,物理學家紐曼給出了法拉第電磁感應定律的數學表達式。
1873年,麥克斯韋提出「位移電流」的概念,建立了時變電場產生時變的磁場的理論學說。結合前輩們的成果,用數學方程嚴格地描述了電磁場應該遵循的規律,推導出電磁場的波動方程,並預言電磁波的存在,順便發現電磁波的傳播速度和光速的一致性。於是他推斷,光的本質是一種電磁擾動,由振蕩的電場和磁場組成。(後面附有簡要推導過程)
1887年,赫茲用振蕩電路證明了麥克斯韋預言的正確性。另外,這組方程式還直接催生了狹義相對論和光子晶體理論的誕生。
目前,人類已經邁入虛擬代替現實的階段,無線網際網路、衛星定位、無線通信、微波遙感等信息技術,其傳輸信息的媒介都是電磁波。我們在享受這些科技成果之餘,可以了解一下麥克斯韋。