光学发展的五大历史时期

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摘要

  光是一种重要的自然现象。我们之所以能看到客观世界中丰富多彩的景象,是因为眼睛接受物体发射、反射或散射的光。据统计,人类感观收到外部世界的总信息量中,至少有 90%以上通过眼睛。在数千年前人类便产生对光现象进行探索和研究的兴趣,留下许多关于光学现象的记载和着作。

  光学是一门研究光(电磁波)的行为和性质,以及光和物质相互作用的物理学科。光学是物理学中最古老的一门基础学科,传统内容十分丰富,如光的产生、传播、本性等等;光学又是当今科学领域中最活跃的前沿阵地之一,激光的问世使得光学焕发青春,如光子学、信息光学、光通信等等。光学的发展是一个漫长而曲折的历史过程,主要经历了萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期、现代光学时期等五大历史时期。

  (一)萌芽时期(约公元前 5 世纪~16 世纪初)

  光学的起源和力学、热学一样,可以追溯到两三千年以前。春秋战国时期墨子(公元前 468-376 年)及其弟子所着《墨经》中记载:直线传播、光在镜面上的反射等现象,并提出了一系列的实验规律。这是有关光学知识的最早纪录。西方也很早就有光学知识的记载,欧几里德(Euclid,公元前330~275)的《反射光学》研究了光的反射,提出了反射定律和光类似触须的投射学说。

  大约公元100年克莱门德和托勒密研究了光的折射现象,最早测定了光在两介质界面的入射角和折射角。阿拉伯学者阿勒·哈增(AI-Hazen,965~1038)写过一部《光学全书》,讨论了许多光学现象。公元 11 世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明了透镜,到 16 世纪初,凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件也已相继出现。这些光学元件的发明推动了光学进一步向前发展。

  (二)几何光学时期(16 世纪~18 世纪初)

  1608 年荷兰人李普塞(Lippershey)发明第一架望远镜,17 世纪初延森(Janssen)和冯特纳(Fontana)发明了第一架显微镜。1610 年伽利略制作了望远镜,并用望远镜观察星体运动。1611 年开普勒发表《折光学》,设计了开普勒天文望远镜。1630 年斯涅尔(Snell)和笛卡尔(Descartes)总结出光的折射定律。这些发明和发现是光学由萌芽时期发展到几何光学时期的重要标志。

  直到 1657 年费马(Fermat)得出着名的费马原理,并从原理出发推出了光的反射和折射定律。这两个定律奠定了几何光学的基础,光学开始真正形成一门科学。牛顿在 1666 年提出光的微粒理论:光是高速运动的细小微粒。能够解释光的直线传播和反射折射定律,但不能解释牛顿圈和光的衍射现象。惠更斯在 1678 年提出光的波动理论:光是在“以太”中传播的波。成功的解释了光的反射和折射定律,方解石的双折射现象,但他的理论没有指出光的周期性和波长的概念,没有脱离几何光学的束缚。此后 100 多年时间里两种理论不断争斗,18 世纪以前微粒理论占上风,这种优势在 19 世纪初被打破。

  (三)波动光学时期(19 世纪初~19 世纪末)

  1801 年托马斯·杨 的“杨氏双缝干涉实验”解释了光的干涉现象,初步测定了光的波长,并于 1817 年提出光是一种横波。1815 年菲涅尔补充了惠更斯原理,形成惠更斯-菲涅尔原理;解释了光在各向同性介质中的直线传播和光的衍射现象,并推出菲涅尔公式。最终,19 世纪初光的波动理论终于战胜了微粒说。至此,光的波动理论既能解释光的直线传播,又能解释光的干涉、衍射和偏振等现象。

  1845 年法拉第发现了光的振动面在强磁场中的旋转,揭示了光与电磁场的内在联系。1856 年韦伯和柯尔劳斯发现电荷的电磁单位与静电单位的比值等于光在真空中的传播速度。1861 年麦克斯韦建立起着名的电磁理论,该理论预言了电磁波的存在,并指出电磁波的速度与光速相同,提出光是一种电磁波的假设。1888 年赫兹发现了波长较长的电磁波--无线电波,它有反射、折射、干涉、衍射等与光类似的性质,传播速度恰好等于光速。至此,光的电磁理论基础被正式确立。

  针对惠更斯波动理论中的光的传播介质“以太”是否存在这一问题,麦克尔逊和莫雷于1887年利用光的干涉效应(麦克尔逊干涉仪),试图探测地球相对于“以太”的运动,得到了否定的结论,证实以太根本不存在。

  (四)量子光学时期(20 世纪初~20 世纪中叶)

  1900 年,普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念,提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波,包括光,只能以各自确定分量的能量从振子射出,这种能量微粒称为量子,光的量子称为光子。量子论很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律,以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子论不但给光学,也给整个物理学提供了新的概念,所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。

  1905 年爱因斯坦发展了光的量子理论,成功地解释了光电效应,提出了光的波粒二象性。 至此,光到底是“粒子”还是“波动”的争论得到解决:在某些方面,光表现的象经典的“波动”,在另一些方面表现的象经典的“粒子”,光有“波粒二象性”. 这样,在 20 世纪初,一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波;而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性--微粒性。

  1916 年爱因斯坦预言原子和分子可以产生受激辐射。他在研究辐射时指出,在一定条件下,如果能使受激辐射继续去激发其他粒子,造成连锁反应,雪崩似地获得放大效果,最后就可得到单色性极强的辐射,即激光。这为现代光学的发展奠定了理论基础。

  (五)现代光学时期(20 世纪中叶~)

  1960 年,梅曼用红宝石制成第一台激光器;同年制成氦氖激光器;1962 年产生了半导体激光器;1963 年产生了可调谐染料激光器。此后,光学开始进入了一个新的发展时期,以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。

  激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性,所以自发现以来得到迅速的发展和广泛应用,引起了光学领域和科学技术的重大变革。由于激光技术的发展突飞猛进,目前激光已经广泛应用于打孔、切割、导向、测距、医疗、通讯等方面,在核聚变等方面也有广阔的应用前景。同时光学也被相应地划分成不同的分支学科,组成一张庞大的现代光学学科网络。

  【参考文献】

  [1] [美]弗 卡约里。物理学史[M].戴念祖,译。桂林:广西师范大学出版社,2002:234-255.

  [2] 吴景彦。物理学史上的科学家[M].北京:劳动人事出版社,1988.

  [3] 祁关泉,龚又明。物理学史[M].上海:上海教育出版社,1986.

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