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光学——科学的瞭望塔

已有 1246 次阅读 2020-8-31 19:34 |系统分类:科普集锦| 光学, 简史, 科普

光学——科学的瞭望塔

        光学是一个既古老又年轻的学科,光学研究的每一次进步都引起了科学的巨大革命。[1]光学从牛顿的微粒说解脱出来进入波动光学时,人类对于振动现象有了全新的认识,并统一到了电磁理论,这是人类继牛顿运动定律统一天地以来第二次理论大综合;光电效应让光学进入量子光学时,物质的波粒二象性被揭示,这是人类认知观念的巨大变革。可见在科学前进的道路上,光学总是起着引领作用,是指路标,是瞭望塔。2019年,来自西班牙和美国的科学家组成的国际科研团队在《科学》杂志上宣布发现了光的新属性——自扭矩。这也必将引起新的光学革命,更有可能刷新人类的认知。历史是一面镜子,知道来处才能更好的走向未来,所以回顾光学的历史对于新光学的研究必将大有裨益。

一、萌芽时期(墨子以后两千年间)

        这一时期是光学发展最缓慢的时期。在这个时期人们开始对光的直线传播、反射、折射和小孔成像等基本光学原理有了初步的了解。例如,我国春秋战国时代的《墨经》中提到:景倒,在午有端与。景光之人,煦若射,下者之人也高, 高者之人也下。足蔽下光,故成景与上。首蔽上光,故成景与下。这是最早的关于小孔成像的文字记载。由于人们生活实践的需要,在此期间,广大的劳动人们还发明了平面镜、凹透镜和凸透镜。宋代时,沈括在《梦溪笔谈》中更为详细的记载和总结了前人光学成果,并记录了红光验尸,这是关于滤光现象的第一次记录。根据宋末元初时赵友钦在《革象新书》中的记载,那时已经有人开始做光学方面的实验,其主要是光学成像方面的研究。[2]

        在光学萌芽时期,国外也有不少研究成果。如:欧几里德在他的《光学》一书中提到了光的直线传播;克罗狄斯·托勒密在他的《光学》一书中开始研究光与眼的关系、双眼效应等问题;伊本•海赛姆首先发明了凸透镜,其实验结果与近代理论相近,他也被称为近代光学之父1299年阿玛蒂发明了眼镜。

        在历史的洪流中人类文明加速了,光学的发展也加速了。

二、几何光学时期(约十七、十八世纪)

        进入十七、十八世纪,光学的发展进入转折时期,主要是因为反射定律和折射定律的建立。在这期间,大量的光学仪器被制造出来。1608年,李普塞制作的第一架望远镜;延森和冯特纳最早制作了复合显微镜。[3]使得人类的视野向宏观和微观世界迈出了一大步。斯涅尔和笛卡儿分别定性和定量的提出了折射定律;法国人费马首先指出光在介质中走光程的极小值,并由此推出反射定律和折射定律。而这一切都是基于光的直线传播。此时已经有人观察到光的波动现象,意大利人格里马首先观察到衍射现象,英国人玻意耳仔细研究了薄膜干涉出现的彩色条纹。

        就在光学发展的重要时刻,一位伟大的人物出现了,他的出现是对整个科学事业的推动,当然也在光学事业上有一些突破,但总体来说对光学的发展起了一点负面影响。他就是牛顿。牛顿在万有引力定律和运动三大定律的伟大成就,让他的光环效应日益明显。以至于他所倡导的光的微粒说笼罩了整个十八世纪。支持光的波动说的研究人员被极力打压,这使得光学在一个世纪不得前行。

三、波动光学时期(十九世纪至今)

        历史的进程绝不会因为某个人而改变其大势。波动光学在被打压的一个世纪中,正在不断积蓄力量,正等待一个领袖来打破僵局。进入十九世纪波动光学终于迎来了它的春天。一位天才少年横空出世,他就是托马斯·杨。1801年,著名的杨氏双缝干涉实验,以不可辩驳的力量证明了光的波动性。1808年马吕斯发现了光的偏振现象并总结出马吕斯定律。[4]1818年巴黎科学院举行了一次学科竞赛,在这次竞赛中菲涅耳以光的干涉原理补充了惠更斯原理,提出了惠更斯-菲涅耳原理,完善了光的衍射理论并获得优胜。[5]约瑟夫·冯·夫琅和费对光的远场衍射进行了研究并由此在1814年发明了分光仪,之后更是制造了衍射光栅,给出了光栅方程。

        随着电磁理论研究的推进,光与电磁的相互作用引起了研究人员的兴趣。1845年,法拉第发现了偏振光的振动面在磁场中的旋转效应;1856年,韦伯和柯尔劳斯发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于光在真空中的传播速度。这些发现都让人们意识到光与电磁有着密不可分的关系。直到1865年,麦克斯韦方程组的建立,这组方程不止统一了电磁,而且将光学也统一了起来,提出了光实质上是一种电磁波。这一观点在1888年由赫兹在实验上证实。

        一切看起来都是如此完美,但十九世纪物理学上空的其中一朵乌云却露出了邪恶的笑容。

四、量子光学时期(二十世纪至今)

        黑体辐射问题,是物理学界长期的痛,而这痛却在蔓延。不断出现的原子光谱问题、固体比热问题、光电效应问题等一次一次使研究人员陷入困境。[6]1901年,普朗克大爷终于想了个能力量子化的法子解释自己猜出来的公式,但为了防止自己晚节不保,特地找了个小期刊发表。几年之后还是不小心被爱因斯坦发现了。1905年,爱因斯坦灵光一闪提出了光量子,并解释了光电效应,还获了诺贝尔奖。于是光是一种能量子的观点席卷学界。可是光到底是波还是粒子呢?波尔做了媒人,提出了光的波粒二象性。之后学历史出身的德布罗意1923年在他的物理学博士论文中提出了波动性是所有物质共有的属性,他称其为物质波。这一猜想1927年被戴维孙和革末的电子衍射实验所证实。所以波粒二象性统一了一切物质,从某种角度来说每个人都是光。(原来奥特曼里人可以化成光是有科学依据的啊!!!)

五、现代光学时期

        1960年美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器,标志着光学进入了新的研究阶段。[7]光与其他学科的交叉融合,衍生出了很多学科领域,也将光学的研究推向了一个新的高度。

         一个婴儿刚睁开眼睛就将感受到光子对视网膜的刺激,人类对光的感知由此开始,也正是这种感知让人类对自然界有着无限的好奇。对光的研究也注定要伴随人类的兴衰与发展。2019年光新属性的发现更是浓墨重彩的一笔,我们必将站在新的巨人肩上,不断探索着光学中新的未知领域。同样,通过光学这个科学前进的瞭望塔,人类可以看到其他领域更光辉的未来。

参考文献

[1]     马明祥. 光学的发展历史概述[J]. 大众科技, 2007(5):82-83.

[2]     王锦光. 中国古代光学史简介[J]. 光电子.激光, 1989(2):107-108.

[3]     魏凤文. 话说现代光学[M]. 广西教育出版社, 1999.

[4]     陈永禄. 科学的认识与光学发展史[J]. 宜宾师范高等专科学校学报, 2001, 3(2):57-60.

[5]     高海, 吕仕儒. 光谱学的早期发展史及其意义[J]. 山西大同大学学报(自然科学版), 2018, 34(06):99-101.

[6]     张三慧. 大学物理学,光学、量子物理[M]. 清华大学出版社, 2009.

[7]     李师群, 尤力, 王力军,. 清华大学物理系光学学科的科学研究[J]. 中国科学:物理学 力学 天文学, 2011(4):486-492.




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2 陈志飞 王安良

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