第一节 历史长河中的光学
美丽的极光
在人类社会漫长的岁月长河中，人们对光学的研究和探索可以追溯到2000多年前，那时人们已经开始思索“人为什么能看见周围的物体”之类的一些问题。大约在公元前400多年，中国战国时期的墨子在他的传世之作《墨经》中记录了世界上最早的光学知识，它在《墨经·光学八条》中详细地论述了影的定义和生成、光的直线传播性、针孔成像，用严谨的文字讨论了平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。
之后，随着社会的不断进步，无论是在古老的东方还是西方世界，各国的科学家们都对光学进行了不断地探索和研究，做出了许多发明。公元11世纪的阿拉伯人伊本·海赛木发明了透镜，16世纪末到17世纪初，詹森和李普希几乎同时独立发明了显微镜。
不过，在所有的发明和研究成果中，最具价值的应该是“光的反射定律和折射定律”的提出。大约在17世纪上半叶，科学家菲涅耳和笛卡儿在经过长期的光学实验和研究后，第一次系统而完整地论述了光的反射和折射现象，这便是今天我们所熟知和惯用的反射定律和折射定律。
笛卡儿（1596—1650）
照明台灯
18世纪，物理光学有了进一步的发展，其中，最为著名的是以牛顿和惠更斯为代表的“光的微粒说”和“光的波动说”理论以及由此而引发的物理学史上著名的光的波动说与微粒说之争。当时，这两派的支持者们坚持用自己所信仰的学说来解释生活中的一些光学现象，而排斥另一种学说。不过他们各自都在“光的波粒之争”的过程中发现，无论是哪一种学说，都不能完全地解释所有的光学现象，这一问题直到19世纪初，波动光学“惠更斯·菲涅耳原理”的提出才得以解决。人们发现通过“惠更斯·菲涅耳原理”理论，不仅可以圆满地说明光的干涉和衍射现象，同时也能很好地解释光的直线传播特性。自然，这也从侧面证明了之后的“光的波粒二象性”理论学说。
惠更斯（1629—1695）
菲涅耳（1788—1827）
电磁波谱示意图
在经历了光的波粒之争后，光学的研究，开始转向电磁场方面。1846年，英国著名科学家法拉第发现了“光的振动面在磁场中发生旋转”的现象。十年后，德国物理学家韦伯于1856年提出“光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值”。这一发现，表明了光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系，同时，它也是“光是电磁波”理论的重要依据。约在1860年，另一位科学家麦克斯韦提出了著名的电磁理论，并指出“光就是这样一种电磁现象”，这一结论在1888年被赫兹的实验所证实。不过，他的这一理论并不能解释“能产生像光这样高的频率的电振子的性质及光的色散现象”，这一疑惑，直到1896年洛伦兹电子论创立后，人们才完全弄清楚。不过，“洛伦兹电子论”也有其片面性的一面，对于像“炽热的黑体辐射中能量按波长分布”这样重要的问题，它不能给出令人满意的解释。
法拉第（1791—1867）
麦克斯韦（1831—1879）
普朗克（1858—1947）
真正意义上的近代物理学是以“量子物理学”的创立为标志的。1900年，德国物理学家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学说。他指出，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，他把这种能量微粒称之为量子（光的量子即光子）。量子论的说法，不仅能很自然地解释“灼热体辐射能量按波长分布的规律”，而且还以全新的方式说明了光与物质相互作用的整个过程。因此，从这个角度来看，量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新的概念。
知识小百科
乙太
乙太有时又译为“以太”，是古希腊哲学家所设想的一种被假想的电磁波的传播媒质，后来被证明不存在。
乙太存在的模拟图
光量子学的提出是物理学史上的一次巨大变革，它结束了经典物理学一统天下的局面。1905年，爱因斯坦运用普朗克量子论学说解释了光电效应，而且他还在这一年的5月，在德国《物理学年鉴》上发表了《关于运动媒质的电动力学》一文，第一次提出了“狭义相对论基本原理”。他在文章中指出，从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学，其应用范围只限于速度远远小于光速的情况，而他的最新的狭义相对论可解释与很大运动速度有关的过程特征。在这一篇文章里，爱因斯坦完全放弃了“以太”的概念，从而圆满地解释了运动物体的光学现象。
这样，到了20世纪初，科学家们一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象中，确切地证实了“光本身就是一种电磁波”的说法；同时，又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等角度，无可怀疑地证明了光的量子性，即光的微粒性。
在后来的研究和理论上，“光”这种既具有波动性又有粒子性的特点无可争辩地证明了一种现象，即不仅光有这种两重性，而且世界的所有物质，包括电子、中子、质子、原子等，以及一切宏观事物，也都具有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。
自此之后，光学便开始进入了一个崭新的时期，它现在是现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。
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