正文 257 物理學之光學 上 文 / 月之輪迴

    光學(optics)是研究光（電磁波）的行為和性質，以及光和物質相互作用的物理學科。傳統的光學只研究可見光，現代光學已擴展到對全波段電磁波的研究。是物理學的一個分支，解釋了光的現象及特性。

    基本介紹

    光學的起源在西方很早就有光學知識的記載，歐幾里得(euclid，公元前約330∼260)的

    (catoptrica)研究了光的反射；阿拉伯學者阿勒.哈增(ai-，965∼1038)寫過一部

    ，討論了許多光學的現象。

    光學真正形成一門科學，應該從建立反射定律和折射定律的時代算起，這兩個定律奠定了幾何光學的基礎。17世紀，望遠鏡和顯微鏡的應用大大促進了幾何光學的發展。

    光的本性（物理光學）也是光學研究的重要課題。微粒說把光看成是由微粒組成，認為這些微粒按力學規律沿直線飛行，因此光具有直線傳播的性質。19世紀以前，微粒說比較盛行。但是，隨著光學研究的深入，人們發現了許多不能用直進性解釋的現象，例如干涉、衍射等，用光的波動性就很容易解釋。於是光學的波動說又佔了上風。兩種學說的爭論構成了光學發展史上的一根紅線。

    狹義來說，光學是關於光和視見的科學，optics(光學)這個詞，早期只用於跟眼睛和視見相聯繫的事物。而今天，常說的光學是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見光、紫外線直到x射線的寬廣波段範圍內的，關於電磁輻射的發生、傳播、接收和顯示。以及跟物質相互作用的科學。光學是物理學的一個重要組成部分，也是與其他應用技術緊密相關的學科。

    分類介紹

    高等物理光學分類

    （1）幾何光學

    （2）物理光學

    （3）量子光學

    初等物理分類

    （1）初中階段：幾何光學

    （2）高中階段：幾何光學、物理光學

    （3）說明：一般生活中提到的光學就是高中階段的分類標準。

    歷史發展

    光學是一門有悠久歷史的學科，它的發展史可追溯到2000多年前。

    人類對光的研究。最初主要是試圖回答「人怎麼能看見周圍的物體？」之類問題。約在公元前400多年(先秦的時代)，中國的《墨經》中記錄了世界上最早的光學知識。它有八條關於光學的記載。敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，並且以嚴謹的字討論了在平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關係。自《墨經》開始，公元11世紀阿拉伯人伊本.海賽木發明透鏡；公元1590年到17世紀初，詹森和李普希同時**地發明顯微鏡；一直到17世紀上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀察結果，歸結為今天大家所慣用的反射定律和折射定律。

    1665年，牛頓進行太陽光的實驗。它把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成一個顏色按一定順序排列的光分佈——光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特徵，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。

    牛頓還發現了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學平玻璃板上，當用白光照射時，則見透鏡與玻璃平板接觸處出現一組彩色的同心環狀條紋；當用某一單色光照射時，則出現一組明暗相間的同心環條紋，後人把這種現象稱牛頓環。借助這種現象可以用第一暗環的空氣隙的厚度來定量地表徵相應的單色光。

    牛頓在發現這些重要現象的同時，根據光的直線傳播性，認為光是一種微粒流。微粒從光源飛出來，在均勻媒質內遵從力學定律作等速直線運動。牛頓用這種觀點對折射和反射現象作了解釋。

    惠更斯是光的微粒說的反對者。他創立了光的波動說。提出「光同聲一樣，是以球形波面傳播的」。並且指出光振動所達到的每一點，都可視為次波的振動中心、次波的包絡面為傳播波的波陣面(波前)。在整個18世紀中。光的微粒流理論和光的波動理論都被粗略地提了出來，但都不很完整。

    19世紀初，波動光學初步形成，其中托馬斯.楊圓滿地解釋了「薄膜顏色」和雙狹縫乾涉現象。菲涅耳於1818年以楊氏乾涉原理補充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的干涉和衍射現象，也能解釋光的直線傳播。

    在進一步的研究中，觀察到了光的偏振和偏振光的干涉。為了解釋這些現象，菲涅耳假定光是一種在連續媒質(以太)中傳播的橫波。為說明光在各不同媒質中的不同速度。又必須假定以太的特性在不同的物質中是不同的；在各向異性媒質中還需要有更複雜的假設。此外，還必須給以太以更特殊的性質才能解釋光不是縱波。如此性質的以太是難以想像的。1846年。法拉第發現了光的振動面在磁場中發生旋轉；1856年，韋伯發現光在真空中的速度等於電流強度的電磁單位與靜電單位的比值。他們的發現表明光學現象與磁學、電學現象間有一定的內在關係。

    1860年前後。麥克斯韋的指出，電場和磁場的改變，不能局限於空間的某一部分，而是以等於電流的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播著，光就是這樣一種電磁現象。這個結論在1888年為赫茲的實驗證實。然而，這樣的理論還不能說明能產生象光這樣高的頻率的電振子的性質，也不能解釋光的色散現象。到了1896年洛倫茲創立電子論，才解釋了發光和物質吸收光的現象，也解釋了光在物質中傳播的各種特點，包括對色散現象的解釋。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無限的不動的媒質，其唯一特點是，在這種媒質中光振動具有一定的傳播速度。

    對於像熾熱的黑體的輻射中能量

    按波長分佈這樣重要的問題，洛倫茲理論還不能給出令人滿意的解釋。並且，如果認為洛倫茲關於以太的概念是正確的話，則可將不動的以太選作參照系，使人們能區別出絕對運動。而事實上，1887年邁克耳遜用乾涉儀測「以太風」，得到否定的結果，這表明到了洛倫茲電子論時期，人們對光的本性的認識仍然有不少片面性。

    1900年，普朗克從物質的分子結構理論中借用不連續性的概念，提出了輻射的量子論。他認為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定份量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。

    量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長分佈的規律，而且以全新的方式提出了光與物質相互作用的整個問題。量子論不但給光學，也給整個物理學提供了新的概念，所以通常把它的誕生視為近代物理學的起點。(未完待續)