曲陽 曹顯瑩

[摘 要] 光學(xué)作為物理學(xué)中極其重要的也最古老的學(xué)科，至今依舊活躍在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，它不僅具有超強(qiáng)的生命力，還具有普遍的實(shí)用性。主要從現(xiàn)代光學(xué)的角度對光的本性進(jìn)行研究與分析，以便為光學(xué)在實(shí)際生活與學(xué)術(shù)中的應(yīng)用提供理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

[關(guān) 鍵 詞] 現(xiàn)代光學(xué)；光的本性；研究

[中圖分類號(hào)] O431 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）13-0221-01

一、光的波動(dòng)說與微粒說

（一）光的波動(dòng)說

物理學(xué)家惠更斯認(rèn)為光是一種微小粒子，它是發(fā)光體在震動(dòng)后彌漫在宇宙空間中的一種常規(guī)傳播過程，也就是說發(fā)光體在以“太”振動(dòng)時(shí)，光的振動(dòng)源就是以“太”為單位的一種介質(zhì)點(diǎn)，并逐漸向周圍傳播球面次波，而當(dāng)這些球面次波通過不同的形式組合在一起時(shí)所形成的包絡(luò)面，就成了下一個(gè)瞬間的新的波面，因此人們便將其稱作惠更斯原理。這不僅在一定程度上反映和解釋了光的反射，也在一定程度上確認(rèn)了光只是一種波動(dòng)運(yùn)動(dòng)，但也從另一個(gè)側(cè)面反映了光在空氣中的傳播速度是顯著高于光在水中的傳播速度的，而從當(dāng)時(shí)的條件來看，這符合光在空氣與水中的測定條件。直到1678年惠更斯推導(dǎo)出光的直線傳播、反射和折射定律，才真正地推動(dòng)了光學(xué)研究與運(yùn)用的全面發(fā)展，但好景不長?；莞沟墓鈱W(xué)波動(dòng)說原理也為后來托馬斯·楊等人的波動(dòng)說復(fù)興提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

（二）復(fù)興波動(dòng)說

1801年物理學(xué)家托馬斯·楊利用干涉觀念對牛頓環(huán)做了全面的解釋，也使托馬斯·楊成為歷史上第一個(gè)通過近似測定波長的科學(xué)家。第二年托馬斯·楊又通過光的波動(dòng)說原理成功地闡明了光的干涉與相關(guān)分布規(guī)律，直到1807年托馬斯·楊出版《自然哲學(xué)與機(jī)械工藝講義》再一次全面地對光的波動(dòng)說和光的干涉進(jìn)行了更深層次的闡述。

1815年物理學(xué)家菲涅爾通過兩個(gè)小孔試驗(yàn)證明：影子的存在與光的直線傳播以及光的干涉現(xiàn)象和聲音的干涉現(xiàn)象是存在差異的，這也為光的波動(dòng)說理論增添了光彩的一筆。直到后來物理學(xué)家泊松通過圓片陰影亮點(diǎn)假設(shè)證明，在菲涅爾關(guān)于光的干涉理論中，當(dāng)圓片的半徑相對較小時(shí)，這個(gè)亮點(diǎn)才會(huì)更明顯。而在后來的一段時(shí)間內(nèi)菲涅爾又成功地證明和闡述了光的衍射現(xiàn)象，因此，人們也親切地將菲涅爾推算出來的公式叫做菲涅爾公式。但同時(shí)我們也可以看出，菲涅爾的研究依舊是以“太”為傳播介質(zhì)的，雖然大部分光的傳播途徑能很好地解釋與證明，但對光的本質(zhì)認(rèn)識(shí)依舊有很長的一段距離。

（三）微粒說與波動(dòng)說之爭

在對光的折射現(xiàn)象分析中，微粒說與波動(dòng)說最終形成和得到的結(jié)論都是各不相同的。光的微粒說闡明了光在介質(zhì)中的速度在很大程度上是大于光速的，而光的波動(dòng)說卻在一定程度上證明了光速在某種介質(zhì)中的傳播速度小于光疏介質(zhì)中的光速。但無論如何這都與當(dāng)時(shí)的試驗(yàn)條件相關(guān)，因此誰是誰非根本無法確定。

二、光的電磁波理論體系的建立與發(fā)展

1865年，電磁波第一次由物理學(xué)家麥克斯韋提出，麥克斯韋通過對電磁波的計(jì)算得出電磁波的傳播速度與光速是相等的。同時(shí)麥克斯韋的成功語言語試驗(yàn)也有力地揭示了光現(xiàn)象與電磁現(xiàn)象之間的密切聯(lián)系。直到德國物理學(xué)家赫茲在1888年的物理試驗(yàn)中證明了電磁波的存在，才使麥克斯韋的理論逐漸被大眾所接受。而在電磁波的定量研究中，麥克斯韋除了有效地測定了電磁波的橫波性外，還通過類比機(jī)械波的波速相關(guān)性證明了電磁波的傳播速度與電場之間的相互聯(lián)系。

（一）光輻射的量子性分析

為了有效地推導(dǎo)出黑體輻射公式，物理學(xué)家普朗克將頻率y作為主要的諧振子，將過量取值定為E=hy的整數(shù)倍，并將其命名為能量子，但他依舊感到難以置信。因此，為了盡量降低經(jīng)典物理學(xué)之間的矛盾，他逐漸將合體黑體空腔壁上的諧振子的能量逐步量子化，而適當(dāng)?shù)睾雎郧粌?nèi)輻射場本身所具有的連續(xù)性，也就是具有連續(xù)分布效應(yīng)的麥克斯韋電磁場，雖然普朗克的量子論在黑體輻射方面取得取得了巨大的成功，但沒真正地對光電效應(yīng)做出科學(xué)、合理、有效的闡述。而從愛因斯坦對熱輻射的研究結(jié)果表明，麥克斯韋電磁場理論是存在一定缺陷的，其主要缺陷是連續(xù)空間函數(shù)理論。

普朗克與麥克斯韋的理論卻在移動(dòng)程度上幫助愛因斯坦找到了一條出路：就是拋棄麥克斯韋的對電磁場的連續(xù)場，大膽地承認(rèn)光量子的存在，也就是說，當(dāng)光束與物質(zhì)相互作用時(shí)，其能流與光的波動(dòng)理論中運(yùn)行情況存在較大差異，它不具有連續(xù)分布性，同時(shí)通過光量子的形式存在于相應(yīng)的光子粒子上，此時(shí)光子的能量與其頻率之間成正比，也就是說E=hy。通過這樣的形式能有效地解決黑體輻射、紫外線等產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。

（二）再次認(rèn)識(shí)光的本性

在愛因斯坦、康普頓等人對光輻射的量子性研究后，直到1956年光子成串試驗(yàn)以及后來的光子反成串效應(yīng)的證實(shí)才真正地打開了光子研究的新局面與新方向。而從光子成串試驗(yàn)的研究結(jié)果來看，其結(jié)果是令人驚奇的，一是光子成串試驗(yàn)中的光子有明顯的正關(guān)聯(lián)效應(yīng)，也就是說光子在正關(guān)聯(lián)效應(yīng)下不具備相應(yīng)的隨機(jī)分布規(guī)律，而是以長成串的形式出現(xiàn)；二是光子在熱光源的環(huán)境下呈現(xiàn)出服從玻色設(shè)計(jì)。運(yùn)行速度相對較高，同時(shí)平均的光子數(shù)也處于相對較高的相干態(tài)；三是激光的二階相干度不存在關(guān)聯(lián)性，在粒子數(shù)完全相等且確定的情況下激光的二階相干性還表現(xiàn)出負(fù)關(guān)聯(lián)狀態(tài)，而這些現(xiàn)象都是與經(jīng)典物理學(xué)理論的結(jié)果背道而馳的。光子成串效應(yīng)的提出也將人們對光的本性認(rèn)識(shí)提上了更高的平臺(tái)。

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