物理世界（四十三）

刘文旺

光学（一）

     日出而作，日落而息。光影响着我们的生活。动物也因此科分为夜行性动物和昼行性动物。没有光就不会有光合作用，这个世界就会陷入深渊——不仅仅是黑暗。

我是一个酷爱和平的军事迷，往往喜欢从军事的角度看问题。我们知道，再用常规武器打击高速运动的目标时，要考虑提前量。而这个提前量是很难把握的，尤其是那些能实现运动过程中，实现变轨的导弹、飞机时简直是很难做到的。而光的传播速度是很大的接近30万公里每秒。这样高的运动速度，打击任何运动的目标都是不需要考虑提前量的？光学是一个应用范围相当广泛的学科。

     同物理学的其他分支一样，光学的发展经历了一个逐渐深化的过程：

光学发展的时间节点

1．公元前468-前376，我国的墨翟及其弟子在《墨经》中记载了光的直线传播、影的形成、光的反射、平面镜和球面镜成像等现象，为世界上最早的光学著作。

2．1849年法国物理学家斐索首先在地面上测出了光速，以后又有许多科学家采用了更精密的方法测定光速，如美国物理学家迈克尔逊的旋转棱镜法。（注意其测量方法）

迈克尔逊

3．1621年荷兰数学家斯涅耳找到了入射角与折射角之间的规律——折射定律。

4．关于光的本质：17世纪明确地形成了两种学说：一种是牛顿主张的微粒说，认为光是光源发出的一种物质微粒；另一种是荷兰物理学家惠更斯提出的波动说，认为光是在空间传播的某种波。这两种学说都不能解释当时观察到的全部光现象。

1801年，英国物理学家托马斯?杨成功地观察到了光的干涉现象

1818年，法国科学家菲涅尔和泊松计算并实验观察到光的圆板衍射——泊松亮斑。

      泊松亮斑

1864年英国物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，指出光是一种电磁波，1887年由赫兹证实。

1895年，德国物理学家伦琴发现X射线（伦琴射线），并为他夫人的手拍下世界上第一张X射线的人体照片。

1900年，德国物理学家普朗克为解释物体热辐射规律提出电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份的，把物理学带进了量子世界；受其启发1905年爱因斯坦提出光子说，成功地解释了光电效应规律。（量子力学的说明在第三册P56）

1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时——康普顿效应，证实了光的粒子性。（说明动量守恒定律和能量守恒定律同时适用于微观粒子）

光具有波粒二象性，光是电磁波、概率波、横波（光的偏振说明光是一种横波）。

光的电磁说中要注意电磁波谱（第三册P31）,还要注意原子光谱（涉及光谱分析第三册P50）

5．1913年，丹麦物理学家玻尔提出了自己的原子结构假说，成功地解释和预言了氢原子的辐射电磁波谱，为量子力学的发展奠定了基础。（明确其局限性）

6．1924年，法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子在一定条件下会表现出波动性；1927年美英两国物理学家得到了电子束在金属晶体上的衍射图案。电子显微镜与光学显微镜相比，衍射现象影响小很多，大大地提高了分辨能力，质子显微镜的分辨本能更高。

人们对于一个物理现象的认识，总是遵循着这样的规律：在观察和实验的基础上，对物理现象进行分析，去伪存真，由表及里，抽象和综合，进而提出假说，形成理论，并不断反复经受实践的检验。当理论和实践相一致时，就循着这条路走下去，发现新的东西使理论不断完善；当理论和实践相矛盾时，就修正、补充理论，使之与实践尽量相符合，甚至放弃原来的理论而建立新的理论。在物理学的发展史上，人们对“光本性”的认识，就是沿着这条曲折的道路前进的。

光是人们接受外界信息的重要来源，很早就为人们所关注，约公元前400 年，中国先秦时代的《墨经》就比较系统的记载了光的直线传播的规律（主要是关于反射现象的）。十七世纪，随着望远镜、显微镜的发明，推动了光学的发展，光的反射定律和折射定律相继被发现，于是人们试图用各种假说来说明“光是什么”。笛卡尔首先提出光是一种弹性介质传递的压力，并用这种观点，推出了折射定律。牛顿发展了笛卡尔的这种观点，认为光是按照力学定律沿直线飞行的微粒流，解释了光的反射和折射定律，但在解释光的折射定律时，认为光在两种介质的界面上受到冲量加速，得出光在介质中的速度比在真空中大。

1665年，胡克提出“光是一种振动”，并提出了波前、波面的概念。对光的波动说提出完整理论的是惠更斯，在他的《光论》一书中，从光的产生和它所引起的作用两个方面说明光是一种运动，而非粒子，他还把光的传播与声音的传播作了类比，明确提出光是一种波的理论。并提出了以他的名字命名的原理，用这个原理解释了光的反射和折射，并得出光在介质中的速度比在真空中小的正确结果，但惠更斯不承认光具有周期性。

牛顿的弹性粒子说和惠更斯的机械波动说对反射、折射现象都做出了解释。光在介质中的速度，两种假说得出不同的结论。当时人们认为光要么是粒子，要么是波动，两者不能同时兼得，因而发生了历史上有名的波动说和粒子说之争。但由于当时光速没有准确测定及牛顿的威望，粒子说占了统治地位。

十九世纪是光的波动说大发展的时代。1801年，英国物理学家托马斯·杨做了光的双缝干涉实验，并提出了波长的概念，使一度冷落的波动说有了新的发展。1808年，法国的马吕斯发现了光的偏振现象，1817年，托马斯．杨提出了光的横向振动的假说，1818年，法国的土木工程师菲涅耳由光是横波的振动假说出发，证明了光的偏振及所有已知的光学现象，因而获得了当年巴黎科学院举行的科学竞赛的最佳论文奖。这次成功，使一些维护粒子说的人也改变了原来的观点。

1849年，法国人斐索首次在地面上测量了光速，他又和另一位法国科学家傅科测定了水中的光速，1850年5 月6 日，傅科在他的博士论文中宣布：水中的光速比空气中的光速要小，证明了惠更斯原理的正确性，从而使人们终于理解了光是一种波动的概念。随着光波概念的接受，人们又去研究光波传播的介质——“以太”的性质。由于光是横波且光波的传播速度很大，要求“以太”是刚劲度比铁大千万倍的固体，但在其中运动又要不受任何阻力！

麦克斯韦在得出电磁理论方程组时，得到电磁场是以横波的形式在“以太”中以光速传播，使光的波动理论又向前发展了一步，即确立光是电磁波，但仍认为光要在“以太”中传播。1876～1887年间，美国物理学家迈克尔逊和莫雷进行了搜索“以太风”的实验，但他们的实验得到了“负结果”，即没有发现“以太风”的存在。在新的实验事实面前，人们不得不寻找新的出路。1905年爱因斯坦建立了狭义相对论，提出电磁波能通过自由空间传播，而不需要其它的介质，解决了光传播的介质问题，使人们对光本性的探索，又前进了一步。

随着新光源的探索，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观机构中，光的电磁理论又发生了一些困难。“黑体辐射”的能量按波长分布的问题，及1887年赫兹发现的光电效应，用光的电磁理论不能得出正确的结论。1900年，普朗克提出了辐射的量子论，认为各种频率的电磁波只能以一定的能量方式从振子发射，能量子是不连续的，其大小只能是电磁波（或光）的频率与普朗克常数乘积的整数倍，从而成功的解释了“黑体辐射”问题。1905年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假说，把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中，提出了杰出的光量子（光子）理论，圆满解释了光电效应，在这里的光子，跟牛顿的微粒说是截然不同的，光子能量跟波动的频率有关。

                                                 光电效应

 至此，人们一方面从光的干涉、衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性；另一方面从黑体辐射、光电效应和康普顿效应又证实了光的量子性——粒子性。1924年，原来学历史的法国科学家德布罗意创立了物质波动学，大胆地设想每一物质的粒子都和一定的波相联系，这一假设在1927年为美国的戴维逊等物理学家的电子束衍射实验所证实。1925年德国物理学家玻恩提出的波粒二象性的几率解释建立了波动性和微粒性之间的联系。光和一切微粒都具有二象性，这个认识促进了原子核和基本粒子研究的发展，也推动人们去进一步探索光和物质的本质。光的波粒二象性说，比较圆满的解释现在已知的光学现象，那么，能不能下结论，光的二象性就是其本质呢？让我们用爱因斯坦在其所著《物理学的进化》中的一段话来结束本文吧：“我们企图理解实在，多少有些象一个人想知道一个合上了表壳的表的内部机构，他看到表面和正在走动着的针，甚至还可以听到滴嗒声，但是他无法打开表壳。如果他是机智的，他可以画出一些能解答他所观察到的一切事物的机构图形。他永远不能把这幅图跟实在的机构比较，而且他甚至不能想象这样比较的可能性或有何意义。但他完全相信：随着他知识的日益增长，他的关于实在的图景也会愈来愈简单，并且它所能解释的感觉印象的范围也会愈来愈广。他也相信，知识有一个理想的极限，而人类的智力正在逐步接近这个极限，也就是这样，他可以把这个理想极限叫做客观真理。”

（未完待续）