正文 258 物理學之光學 中 文 / 月之輪迴

    1905年，愛因斯坦運用量子論解釋了光電效應。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物質相互作用時，光也是以光子為最小單位進行的。

    1905年9月，德國《物理學年鑒》發表了愛因斯坦的「關於運動媒質的電動力學」一。第一次提出了狹義相對論基本原理，中指出，從伽利略和牛頓時代以來佔統治地位的古典物理學，其應用範圍只限於速度遠遠小於光速的情況，而他的新理論可解釋與很大運動速度有關的過程的特徵，根本放棄了以太的概念，圓滿地解釋了運動物體的光學現象。

    這樣，在20世紀初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運動物體的光學現象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應、光壓以及光的化學作用等無可懷疑地證明了光的量子性——微粒性。

    1922年發現的康普頓效應，1928年發現的喇曼效應，以及當時已能從實驗上獲得的原子光譜的超精細結構，它們都表明光學的發展是與量子物理緊密相關的。光學的發展歷史表明，現代物理學中的兩個最重要的基礎理論——量子力學和狹義相對論都是在關於光的研究中誕生和發展的。

    此後，光學開始進入了一個新的時期，以致於成為現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，就是發現了愛因斯坦於1916年預言過的原子和分子的受激輻射，並且創造了許多具體的產生受激輻射的技術。

    愛因斯坦研究輻射時指出，在一定條件下，如果能使受激輻射繼續去激發其他粒子，造成連鎖反應。雪崩似地獲得放大效果，最後就可得到單色性極強的輻射，即激光。1960年。西奧多.梅曼用紅寶石製成第一台可見光的激光器；同年製成氦氖激光器；1962年產生了半導體激光器；1963年產生了可調諧染料激光器。由於激光具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年發現以來。得到了迅速的發展和廣泛應用，引起了科學技術的重大變化。

    光學的另一個重要的分支是由成像光學、全息術和光學信息處理組成的。這一分支最早可追溯到1873年阿貝提出的顯微鏡成像理論，和1906年波特為之完成的實驗驗證；1935年澤爾尼克提出位相反襯觀察法，並依此由蔡司工廠製成相襯顯微鏡，為此他獲得了1953年諾貝爾物理學獎；1948年伽柏提出的現代全息照相術的前身——波陣面再現原理，為此，伽柏獲得了1971年諾貝爾物理學獎。自20世紀50年代以來，人們開始把數學、電子技術和通信理論與光學結合起來。給光學引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關運算等概念，更新了經典成像光學，形成了所謂「傅裡葉光學」。再加上由於激光所提供的相乾光和由利思及阿帕特內克斯改進了的全息術，形成了一個新的學科領域——光學信息處理。光纖通信就是依據這方面理論的重要成就，它為信息傳輸和處理提供了嶄新的技術。

    在現代光學本身，由強激光產生的非線性光學現象正為越來越多的人們所注意。激光光譜學，包括激光喇曼光譜學、高分辨率光譜和皮秒超短脈衝，以及可調諧激光技術的出現，已使傳統的光譜學發生了很大的變化，成為深入研究物質微觀結構、運動規律及能量轉換機制的重要手段。它為凝聚態物理學、分子生物學和化學的動態過程的研究提供了前所未有的技術。

    研究內容

    我們通常把光學分成幾何光學、物理光學和量子光學。

    幾何光學

    是從幾個由實驗得來的基本原理出發。來研究光的傳播問題的學科。它利用光線的概念、折射、反射定律來描述光在各種媒質中傳播的途徑，它得出的結果通常總是波動光學在某些條件下的近似或極限。

    物理光學

    是從光的波動性出發來研究光在傳播過程中所發生的現象的學科，所以也稱為波動光學。它可以比較方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振。以及光在各向異性的媒質中傳插時所表現出的現象。波動光學的基礎就是經典電動力學的麥克斯韋方程組。波動光學不詳論介電常數和磁導率與物質結構的關係，而側重於解釋光波的表現規律。波動光學可以解釋光在散射媒質和各向異性媒質中傳播時現象，以及光在媒質界面附近的表現；也能解釋色散現象和各種媒質中壓力、溫度、聲場、電場和磁場對光的現象的影響。

    量子光學

    英名稱：umoptics

    量子光學是以輻射的量子理論研究光的產生、傳輸、檢測及光與物質相互作用的學科。1900年普朗克在研究黑體輻射時，為了從理論上推導出得到的與實際相符甚好的經驗公式，他大膽地提出了與經典概念迥然不同的假設，即「組成黑體的振子的能量不能連續變化，只能取一份份的分立值」。

    1905年，愛因斯坦在研究光電效應時推廣了普朗克的上述量子論，進而提出了光子的概念。他認為光能並不像電磁波理論所描述的那樣分佈在波陣面上。而是集中在所謂光子的微粒上。在光電效應中，當光子照射到金屬表面時。一次為金屬中的電子全部吸收，而無需電磁理論所預計的那種累積能量的時間。電子把這能量的一部分用於克服金屬表面對它的吸力即作逸出功，餘下的就變成電子離開金屬表面後的動能。

    這種從光子的性質出發，來研究光與物質相互作用的學科即為量子光學。它的基礎主要是量子力學和量子電動力學。

    光的這種既表現出波動性又具有粒子性的現象既為光的波粒二象性。後來的研究從理論和實驗上無可爭辯地證明了：非但光有這種兩重性，世界的所有物質，包括電子、質子、中子和原子以及所有的宏觀事物，也都有與其本身質量和速度相聯繫的波動的特性。(未完待續)