光


光 （简体）

本文講述科學上的光。如果你要找的是日本新幹線的列車「光」號，請參看「光 (列車)」。

光是一種人類眼睛可以見的電磁波（可見光譜）。在科學上的定義，光有時候是指所有的電磁波譜。光是由一種稱為光子的基本粒子組成。具有粒子性與波動性，或稱為波粒二象性。

目錄

研究歷史

關於光的本性問題很早就引起了人們的關注。

微粒說

1638年，法國數學家皮埃爾·伽森荻（Pierre Gassendi）提出物體是由大量堅硬粒子組成的。並在1660年出版的他所著的書中涉及到了他對於光的觀點，也認為光也是由大量堅硬粒子組成的。

牛頓隨後對於伽森荻的這種觀點進行研究，他根據光的直線傳播規律、光的偏振現象，最終於1675年提出假設，認為光是從光源發出的一種物質微粒，在均勻媒質中以一定的速度傳播。

微粒說很容易解釋光的直進性和反射現象，因為粒子與光滑平面發生碰撞的反射定律與光的反射定律相同。然而微粒說在解釋一束光射到兩種介質分界面處會同時反射和折射，以及幾束光交叉相遇後彼此毫不妨礙的繼續向前傳播等現象時，卻發生了很大困難。

波動說

羅伯特·胡克在1685年發表的《顯微術》一書中，認為光是一種振動，發光體的每一振動在介質中向各個方向傳播。胡克初步建立了波面和波線的概念，並把波面的思想用於對光的折射和薄膜顏色的研究。

惠更斯（Christian Huygens）著《論光》更明確地提出了光是一種波動的主張，他認為光是一種介質的運動，該運動從介質的一部分以有限速度依次地向其他部分傳播，他把光的傳播方式與聲音在空氣中的傳播作比較。

波動說很容易能夠解釋微粒說不能解釋的兩個問題。水波可以同時發生反射和折射，並且水波的反射和折射規律和光完全相同。湖面上的激烈水波能夠自由的互相穿過，通過一個窗口能夠同時聽到窗外幾個人講話的聲音，這些都是人們熟知的波的現象。然而，早期的波動說缺乏定量的數學嚴密性，也缺乏對波動特性的足夠說明，仍然擺脫不了幾何光學的觀念。同時，惠更斯所提出的波動說是把光比作像「水波」一樣的機械波，即機械波的傳播需要依靠介質，而光卻能在真空中（即無介質）傳播。

牛頓並不是在根本上否認光的波動性，事實上正是牛頓首先提出了光在本質上是一種周期過程的觀點，他還多次提到光可能是一種振動並與聲波作對比。然而從他的著作《光學》的其他部分來看，他還是傾向於光的微粒說。突出的例子是從光的微粒說出發，根據機械粒子遵守的力學規律來解釋光的反射定律和折射定律，並得出了光密介質中的光速要大於光疏介質中的光速這一與事實不符的結論。

英國物理學家托馬斯·楊（1773年 – 1829年用干涉實驗證明了光的波動性

由於牛頓在學術界有很高的聲望，致使微粒說在其後的100多年裡一直佔著主導地位，而波動說卻發展得很慢。同時，如果要證明光具有波動性，必須設法顯示出光具有干涉現象，而干涉現象的產生必須得到兩列相干光，然而要得到兩列相干光在當時是很困難的。直到1801年英國物理學家托馬斯·楊（Thomas Young）終於用干涉實驗證明了光的波動性。

詳見楊氏雙縫干涉實驗

電磁說

到19世紀中期，光的波動性已經得到公認，然而當時人們只了解在介質中傳播的機械波，認為光波也是一種機械波。而任何機械波的傳播都依靠介質，光卻能在真空中傳播。從太陽和其他恆星所發出的光，是通過什麼介質傳播過來的呢？

為了說明光傳播的這個問題，人們便假設在宇宙空間中到處充滿著一種特殊的物質，這種物質被稱作以太，光便是通過「以太」來進行傳播。為了解釋光波的各種性質，對於「以太」這個概念又進一步提出了種種假設。譬如，「以太」的密度極小，卻具有較大的彈性等。由於對「以太」性質種種假設間存在明顯的矛盾，人們很難相信存在這種物質。而為證明「以太」存在的各種實驗也都以失敗而告終。

1846年，法拉第發現在磁場的作用下，偏振光的振動面會發生改變。這一重要的發現，表明光和電磁現象間存在著某種聯繫，同時將人們的目光轉移到了電磁現象來考慮。

19世紀60年代，麥克斯韋在研究電磁場理論時預見了電磁波的存在。同時指出電磁波是一種橫波，電磁波的傳播速度等於光速。麥克斯韋通過電磁波與光波的相似性質，提出假設，認為光波是一種電磁波。

20多年後，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，測得電磁波的傳播速度的確與光速相同，同時電磁波也能夠產生反射、折射、干涉、繞射、偏振等現象，從實驗中證明了光是一種電磁波。

光子說

光的電磁說使光的波動理論發展到相當完美的地步。但是，還是在赫茲用實驗證實光的電磁說的時候，就已經發現了光電效應這一現象，而這一發現也使光的電磁說遇到了無法克服的困難。1905年愛因斯坦提出光量子論，運用光子的概念解釋了光電效應。

特性

反射
折射
光纖束

直進性

光沿直線傳播，簡言之光是直線運行的，也不需要任何介質，但在其他物體的重力場的影響下，光的傳播路徑會發生偏折，最顯著的就是黑洞的影響。

反射

光線遇另一介質反射的情況是指入射光反回原介質的情形，反射定律可以下列三原則來解釋：

  1. 入射線、反射線與法線在同一平面上。
  2. 入射線與反射線在法線的兩側。
  3. 入射角等於反射角：
\angle \theta_i = \angle \theta_r

折射

光從不同密度的介質穿過時發生的偏折現象為折射，不同介質可以出現不同的折射角，由該介質的折射率 n = \tfrac {\sin \angle \theta_1}{\sin \angle \theta_2} 來決定，並遵從斯涅爾定律：

n_1 \sin \angle \theta_1 = n_2 \sin \angle \theta_2

光速在不同介質中亦會轉變：

v_2 = v_1 \tfrac {\sin \angle \theta_2}{\sin \angle \theta_1}

當 \angle \theta_2 = 90^\circ 時，折射光沿著介面運行，這時 \angle \theta_1 稱為臨界角 (\angle \theta_c)；當 \angle \theta_1 > \angle \theta_c 時，入射光則完全反射回原介質，稱為全內反射。

全內反射

全內反射是光折射的一個待殊情況，當光線由密度較高的介質（光密）到密度較低的介質（光疏）且入射角大於臨界時，即 \angle \theta_i \geqslant \arcsin \tfrac {n_2}{n_1}，則只有反射光線，沒有折射光線，這現象是為全內反射，光纖就是應用這現象來運作。

光徑的可逆性

在干涉與繞射可忽略的情況中，入射光線與反射光線的可交換性。就是在一條光徑的終點，發出反方向的光，此光可沿原路徑回到原來的起點。在介質分界面處應用光路的可逆性可導出關於反射率和折射率的斯托克斯關係。

干涉

干涉現象是波的一種特性。惠更斯在1678年提出光是一種波動後，由於得到兩列相干光源很不容易，所以波動說很長時間內沒有被證明認可。直到1801年，才由英國物理學家托馬斯·楊巧妙而簡單的解決了相干光源的問題。

繞射

參見：繞射

繞射現象也是波的一種特性，是光在通過闊度與其波長相當的孔或縫時所發生的現象，光不會持續原來的直線路徑，而是作扇形發散狀。

光電效應

一種光游離作用（光子將電子撞出原子，使之游離的過程），最常見的應用是以光束完成電流通路的電眼系統。

傳播速度

在真空中光的傳播速度為 299,792,458 米每秒，是一個常數，以符號 c 代表，也是訊息傳播速度的上限。

光源

光是能量的一種傳播方式。光源所以發出光，是因為光源中原子的運動。有三種方式：熱運動、躍遷輻射、受激輻射。前者為生活中最常見的，比如電燈和火焰；後者多應用於雷射。

光譜

在光的產生過程中，因為躍遷能級的不同，釋放出不同頻率的光子（愛因斯坦能量方程）。而不同頻率的光會有著不同的顏色。可見光範圍內依次為赤橙黃綠藍靛紫。白光為所有這些光譜的綜合。如果用稜鏡折射白光，就能夠觀察到上述可見光光譜。
既複色光（如白光）被色散系統（如稜鏡）分類後，按波長的大小依次排列的圖案。
後來，對光譜的研究就成了一門專業學科——光譜學。人們利用光譜來研究發光物體的性質。在現代，光譜學在宇宙的研究方面起著重要的作用。

光線

光是直線傳播的。基於光線的光學，稱為幾何光學或線性光學（Beam Optics）。

形成

參考

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