作者: 發(fā)布時間:2021-03-29
人類對于客觀世界的認知,首先依賴于人類身體的感覺器官對世界的感知,而認知的絕大部分來自于視覺,或者說來自于光。
光是最接近世界本質(zhì)的存在,從某種意義上來說,對光的本質(zhì)的研究引領(lǐng)了物理學的革命,光的歷史構(gòu)筑了物理學的歷史。
光一直以來都是哲學家和科學家的興致所在。赫拉克利特說,光是燃燒的過程,而非燃燒的東西;牛頓認為光既在同一直線上相繼,又在不同直線上同時;愛因斯坦考慮到,光速是不受時間約束,永恒不變的存在。光的歷史大體可分成三個階段:幾何光學、具象光學和抽象光學。
幾何光學:正如幾何學被應用于研究物質(zhì)那樣,有關(guān)光學的論證都立足于經(jīng)驗引出的事實上。
—— 惠更斯
人類早期的光學研究為幾何光學,把光作為一種幾何概念的存在,主要觀察光的直線傳播、反射規(guī)律、透鏡成像等經(jīng)驗問題,不涉及光的本質(zhì),但仍然蘊含著哲理。
戰(zhàn)國時期,墨翟在《墨經(jīng)》中就提到了光和影的關(guān)系,認為光從物體發(fā)出或被物體反射,從而被眼睛看見。古希臘時期,阿那克西曼德特提出了月亮因反射太陽的光線而發(fā)光,亞里士多德對眼睛向物體發(fā)出視線的說法產(chǎn)生質(zhì)疑。公元前3世紀,歐幾里得在《反射光學》中,給出了人類在光學領(lǐng)域第一個定量的反射定律,整個幾何光學的巔峰當屬費馬原理:光線傳播的路徑總是需時最少的路徑。
具象光學:“光的顏色多種多樣”與物體運動的不同方式有深刻聯(lián)系。
—— 笛卡爾
關(guān)于光的認知,真正走向近代科學的是達芬奇、伽利略和笛卡爾等人,笛卡爾在1635年的《折光學》中第一次假設平行于兩種介質(zhì)界面的速度分量不變,對折射定律進行了理論推證,并首先提出了關(guān)于光的本性的兩種假說,一種認為光是類似微粒的一種物質(zhì),后來成為牛頓支持的微粒說;另一種認為光是一種以”以太“為介質(zhì)的壓力,也就是惠更斯堅持的波動說。
牛頓通過思考認為,假如光是一種波,它應當同聲音一樣繞過障礙物,而不產(chǎn)生影子,又經(jīng)過雙折射實驗發(fā)現(xiàn),光線在不同的側(cè)面應被賦予了不同的性質(zhì),這一卓越的靈感使得牛頓加深了對波動說的反對,因為如果壓力或者波動通過均勻介質(zhì)傳播而來,必定在所有側(cè)面都是相同的。
1672年,牛頓在《關(guān)于光和顏色的理論》中提出光的復合與色散:光不同顏色的微?;旌匣蚍珠_構(gòu)成了光的各種顏色。
我沒有把引力看作物體的基本屬性,我之所以有這樣的疑問,是因為我由于缺乏實驗而對它還不滿意。
—— 牛頓
1704年牛頓在《光學》中又將微粒說與牛頓力學體系融為一體,合理地解釋了反射和折射定律,由此光的微粒說占據(jù)上風。
一種是惠更斯堅持的波動說,惠更斯認為,假設光是一種微粒,那么光在交叉時就會發(fā)生碰撞而改變方向。1690年,惠更斯在《光論》中建立了惠更斯原理:介質(zhì)中任一波陣面上的各點,都是發(fā)射子波的新波源,其后任意時刻,這些子波的包絡面就是新的波陣面。根據(jù)此原理,可以完美地推導出光的反射和折射定律。
惠更斯反射定律:CB是入射光,AC表示入射光波的一部分(光波中心無限遠,AC可視為一條直線),圓弧SNR以A為圓心,以AG為半徑,另外三條圓弧分別以三個K為圓心,以三個KM為半徑。直線BN是四條圓弧唯一的公切線,因此反射光只能沿著AN方向。根據(jù)三角形相似性,入射角∠CBA等于反射角∠NAB。
惠更斯折射定律:DA是入射光,AC是入射光線的一部分,假定光波在介質(zhì)中傳播速度會減慢,因此以A為圓心產(chǎn)生的球面波SNR的半徑小于BC,同理K點產(chǎn)生的球面波等比例的小于HK,則BN是所有圓弧的公切線,從A點作BN的垂線AN,就表示折射光。
1801年,托馬斯楊進行了著名的楊氏雙縫實驗,光屏上出現(xiàn)了明暗相間的黑白條紋,并首次提出了光是一種橫波以及光的干涉現(xiàn)象,后來菲涅耳用兩個平面鏡產(chǎn)生的相干光源完成了光的干涉實驗,夫瑯禾費通過光柵發(fā)現(xiàn)了光的衍射現(xiàn)象,光的波動說逐漸牢固。
在這個相當長的時期內(nèi),人們對光波的理解僅僅局限于某種介質(zhì)的力學振動,眾所周知的“以太”就是所謂光的載體。
抽象光學:光是從黑暗之中噴薄而出一種原創(chuàng)的力量。
—— 啟蒙
1865年,麥克斯韋建立了電磁場的麥克斯韋方程組,推出電磁場的擾動以“以太”為介質(zhì)振動傳播,并計算出光速為每秒31萬千米(?2ψ/?t2-c2?2ψ/?x2=0)。1887年,邁克爾遜莫雷實驗否定了地球相對于“以太”運動,“以太”進而失去了作為絕對參考系的價值,使得人們接受了電磁場本身就是物質(zhì)存在的一種形式,最終讓光速不變原理和狹義相對論原理得到普遍認同。
1887年,赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應,光的微粒性再一次被證實,1900年,普朗克首次提出量子化假設(ε=?ω),1905年愛因斯坦提出光量子假說(E=hv),同年康普頓證明了X射線的微粒性(λ=h/mc2)。1923年,德布羅意提出的波粒二象性(λ=h/P),1927年湯姆生在實驗中證實了電子束的波動性質(zhì)。量子力學的建立沖破了把光僅僅理解為某種振動的狹隘觀念,人們終于意識到光的抽象理念。
20世紀后期,科學家認識到真空漲落存在虛光子(i-Photon),1948年,克西米爾發(fā)現(xiàn)了真空量子化的克西米爾效應(F=-Cπ/d2),1954年楊振寧創(chuàng)立了楊——米爾斯理論,基本粒子的行為不再符合對稱群描述。
光既是粒子又是波,既確定又不確定,既是概率又是實體,光的概念由模糊到具象再到抽象,最終的“經(jīng)驗”慢慢靠近最初的“印象”,似乎暗示了某種循環(huán),蘊藏著某種深刻的意義。