科学故事汇：神奇的光，从光到光学

本文为您介绍人类认识光的历史，从光到光学的过程。

每天清晨我们被第一缕阳光唤醒，映入眼帘的是色彩斑斓的世界；白天我们沐浴阳光，夜晚我们的城市被七彩霓虹装点得绚丽多彩；植物利用光合作用提供了哺育世界的食物……正因为光与我们的生活密切相关，人们在2000多年以前就对其进行了研究，并发展成为一门研究“光”和“视”的科学——光学。

一、什么是光学？

光学是研究光的发生、传播、接收和显示等性质以及光与物质相互 作用的科学，是物理学的一个重要组成部分 ，也是与其它应用技术紧密相关的学科。随着研究的深入，光学不再局限于人的感知和视觉范围，研究范围涉及微波、红外、可见光、紫外线、X射线的宽广波段范围内的电磁辐射。从光学的发展历史来看，光学大致可分为几何光学、波动光学和量子光学几个 分支。

图1-电磁波谱

二、什么是光？

2.1、古人对光的认识

由于光与人类的生活关系太密切了，所以人类凭借 日常经验很早就积累了许多光的知识。公元前400多年，中国的《墨经》记录了世界上 最早的 光学知识，其中有影的定义和生成，光的直线传播、小孔 成像实验、平面镜、凹面镜、凸面镜中物像关系等多条记载。无论从时间上还是就科学性而言，《墨经》都称得上是世界上最早的几何光学著作。

图2-《墨经》和小孔成像

古希腊人对光同样充满好奇，毕达哥拉斯最早把光解释为光源向四周发射的一种东西，遇到障碍物即被摊开，如果被弹入人眼，人就会感觉到最后一个将光摊开的障碍物。

2.2、光学起步

对光的本性的探讨是从17世纪开始的，并展开了旷日持久的论战。主要可以分为两种学说，一个是以牛顿为代表的微粒说——光是发光物体射出的大量微粒，另一个 是以惠更斯为代表的波动说——光是发光物体发出的波动，由于牛顿的微粒说更好地解释了光在真空或均匀介质 中是沿直线传播，光在不同介质的界面上的被吸收、折射和反射等光的现象，再加上牛顿当时再科学界的为王，微粒说占据了有利地位，并统治了整个18世纪，这导致了光学的停滞不前。

图3-物理学家牛顿

直到19世纪初，托马斯·杨成功进行了双缝干涉实验，又一次扛起了波动说的大旗，菲涅耳在理论上补充了惠更斯原理，波动光学初步形成。不过，在那个阶段讨论的主要是光的传播，很少涉及光的发射和吸收，至于光与物质相互作用问题还没怎么研究过，许多现象尚未发现。

图4-托马斯·杨及双缝干涉实验

2.3、波动光学的飞速发展

19世纪末到20世纪初是物理学发生伟大革命的时代。19世纪后期，随着对电磁学的深入研究，人们初步认识到光其实就是一种电磁波。1872年，麦克斯韦用四个方程推论出电磁波存在且以光速传播，我们看到的可见光不过是一种波长在一定范围内的电磁波。这个结论在1888年被赫兹的一系列实验所证实。

图5-麦克斯韦方程组

2.4、新的光的微粒说诞生

至此，波动说完全占了上风，似乎已经达到了完美。然而历史的车轮总是滚滚向前。1900年，普朗克提出了辐射的量子论。他把光的能量看成不连续的、一份一份的，每一份叫做能量的“量子”，这在当时是绝大部分科学家所不能接受的，就连普朗克自己也因为引入能量量子而惴惴不安。年轻而大胆的爱因斯坦不仅接受了能量量子的概念，而且成功用于解释光电效应，他把光的微粒叫做“光子”。新的光的微粒说——光的量子说由此诞生。

图6-光电效应实验

2.5、光的波粒二象性确立

1924年，法国的德布罗意提出了波粒二象性的概念，也就是说光即是粒子也是波，光具有波粒二象性，几乎所有的微观例子或者电磁波都是如此。

此后，光学进入了一个赞新的时代，成为近代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分，其中最重要的成就就是激光的诞生。今天我们的生活离不开激光（例如，CD、指示笔、光纤通讯等），激光还使光学的研究和应用进入了一个新的时期。