科學有故事,從光到光學的一路坎坷

2020-12-03 科學塢

本文為您介紹人類認識光的歷史,從光到光學的過程。

每天清晨我們被第一縷陽光喚醒,映入眼帘的是色彩斑斕的世界;白天我們沐浴陽光,夜晚我們的城市被七彩霓虹裝點得絢麗多彩;植物利用光合作用提供了哺育世界的食物……正因為光與我們的生活密切相關,人們在2000多年以前就對其進行了研究,並發展成為一門研究「光」和「視」的科學——光學。

一、什麼是光學?

光學是研究光的發生、傳播、接收和顯示等性質以及光與物質相互 作用的科學,是物理學的一個重要組成部分 ,也是與其它應用技術緊密相關的學科。隨著研究的深入,光學不再局限於人的感知和視覺範圍,研究範圍涉及微波、紅外、可見光、紫外線、X射線的寬廣波段範圍內的電磁輻射。從光學的發展歷史來看,光學大致可分為幾何光學、波動光學和量子光學幾個 分支。

二、什麼是光?

2.1、古人對光的認識

由於光與人類的生活關係太密切了,所以人類憑藉 日常經驗很早就積累了許多光的知識。公元前400多年,中國的《墨經》記錄了世界上 最早的 光學知識,其中有影的定義和生成,光的直線傳播、小孔 成像實驗、平面鏡、凹面鏡、凸面鏡中物像關係等多條記載。無論從時間上還是就科學性而言,《墨經》都稱得上是世界上最早的幾何光學著作。

古希臘人對光同樣充滿好奇,畢達哥拉斯最早把光解釋為光源向四周發射的一種東西,遇到障礙物即被攤開,如果被彈入人眼,人就會感覺到最後一個將光攤開的障礙物。

2.2、光學起步

對光的本性的探討是從17世紀開始的,並展開了曠日持久的論戰。主要可以分為兩種學說,一個是以牛頓為代表的微粒說——光是發光物體射出的大量微粒,另一個 是以惠更斯為代表的波動說——光是發光物體發出的波動,由於牛頓的微粒說更好地解釋了光在真空或均勻介質 中是沿直線傳播,光在不同介質的界面上的被吸收、折射和反射等光的現象,再加上牛頓當時再科學界的為王,微粒說佔據了有利地位,並統治了整個18世紀,這導致了光學的停滯不前。

直到19世紀初,託馬斯·楊成功進行了雙縫幹涉實驗,又一次扛起了波動說的大旗,菲涅耳在理論上補充了惠更斯原理,波動光學初步形成。不過,在那個階段討論的主要是光的傳播,很少涉及光的發射和吸收,至於光與物質相互作用問題還沒怎麼研究過,許多現象尚未發現。

2.3、波動光學的飛速發展

19世紀末到20世紀初是物理學發生偉大革命的時代。19世紀後期,隨著對電磁學的深入研究,人們初步認識到光其實就是一種電磁波。1872年,麥克斯韋用四個方程推論出電磁波存在且以光速傳播,我們看到的可見光不過是一種波長在一定範圍內的電磁波。這個結論在1888年被赫茲的一系列實驗所證實。

2.4、新的光的微粒說誕生

至此,波動說完全佔了上風,似乎已經達到了完美。然而歷史的車輪總是滾滾向前。1900年,普朗克提出了輻射的量子論。他把光的能量看成不連續的、一份一份的,每一份叫做能量的「量子」,這在當時是絕大部分科學家所不能接受的,就連普朗克自己也因為引入能量量子而惴惴不安。年輕而大膽的愛因斯坦不僅接受了能量量子的概念,而且成功用於解釋光電效應,他把光的微粒叫做「光子」。新的光的微粒說——光的量子說由此誕生。

2.5、光的波粒二象性確立

1924年,法國的德布羅意提出了波粒二象性的概念,也就是說光即是粒子也是波,光具有波粒二象性,幾乎所有的微觀例子或者電磁波都是如此。

此後,光學進入了一個贊新的時代,成為近代物理學和現代科學技術前沿的重要組成部分,其中最重要的成就就是雷射的誕生。今天我們的生活離不開雷射(例如,CD、指示筆、光纖通訊等),雷射還使光學的研究和應用進入了一個新的時期。

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