光學(xué)的發(fā)展史

1、光學(xué)的發(fā)展史幾何光學(xué)的發(fā)展 光學(xué)也是物理學(xué)中起源最古老的領(lǐng)域之一，中國戰(zhàn)國時(shí)期的墨子在經(jīng)下和經(jīng)說下兩篇中就記載了投影、小孔成像、平面鏡、凸面鏡和凹面鏡成像等幾何光學(xué)中的物理特性。西方世界中最早的光學(xué)研究記載來自歐幾里德的反射光學(xué)（Catoptrica）；而在托勒密的著作光學(xué)（原作已佚）中記載了他對(duì)折射定律的研究，他在當(dāng)時(shí)認(rèn)為折射角正比于入射角，這個(gè)觀點(diǎn)后來被阿拉伯學(xué)者海什木發(fā)現(xiàn)有誤。海什木本人對(duì)光學(xué)有著相當(dāng)?shù)难芯砍晒?，在他的著作光學(xué)全書里記載了大量他進(jìn)行過的光學(xué)實(shí)驗(yàn)40，他研究過光的直線傳播、反射和折射、透鏡和各種反射鏡等。在對(duì)折射的研究中，是他首先發(fā)明了將反射光和折射光在水平和豎直方向上分解

2、這一幾何光學(xué)中的基本方法。他甚至得到了類似于斯涅爾定律的結(jié)論，但沒有經(jīng)過定量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。 開普勒在他1611年的光學(xué)著作折光學(xué)中記載了他所進(jìn)行的光的折射實(shí)驗(yàn)，記錄表明他在實(shí)驗(yàn)中曾觀察到全反射現(xiàn)象。1621年，荷蘭物理學(xué)家斯涅爾通過進(jìn)行和開普勒相類似的實(shí)驗(yàn)首次總結(jié)出了正確的折射定律，后來折射定律也常被稱作斯涅爾定律。笛卡爾在他的著作方法論中也有關(guān)于折射的研究，他將光看作機(jī)械的彈性小球，認(rèn)為小球在不同的介質(zhì)中的速度是不同的，并假設(shè)平行于介質(zhì)交面的光速分量始終保持不變，由此可以推出入射角與折射角的正弦的比值是定值。不過，笛卡爾的結(jié)果和事實(shí)相比需要假設(shè)光在光疏媒質(zhì)中要比在光密媒質(zhì)中走得慢。1661年，

3、法國數(shù)學(xué)家皮埃爾·德·費(fèi)馬將費(fèi)馬原理應(yīng)用于幾何光學(xué)，得到了折射定律的正確形式。費(fèi)馬原理作為最小作用量原理的一個(gè)特例，應(yīng)用它來證明折射定律具有物理上的正確性。光的色散 牛頓在光學(xué)領(lǐng)域也做出了巨大貢獻(xiàn)，其中最重要的發(fā)現(xiàn)是光的色散。牛頓的青年時(shí)代正是望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡逐漸占領(lǐng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)重要地位的時(shí)期，人們?cè)谑褂眠@些儀器的同時(shí)卻發(fā)現(xiàn)成像總是帶有像差和色差等問題。因此牛頓研究光學(xué)的初衷是為了改進(jìn)這些光學(xué)儀器。1666年，牛頓在參考了笛卡爾、胡克和波義耳等人的分光實(shí)驗(yàn)后，把房間弄成漆黑，只讓室外的陽光透過留在窗戶上的一個(gè)小孔，陽光照射到放置的三棱鏡上，如此牛頓在對(duì)面的墻上得到了光譜。牛頓

4、本人描述說：“當(dāng)我第一次看到由此而產(chǎn)生的鮮明強(qiáng)烈的光色時(shí)，使我感到極大的愉快”14。隨后牛頓還進(jìn)行了其他實(shí)驗(yàn)證明了色散不是光和棱鏡相互作用的結(jié)果，以及色散后的光譜能通過倒置的棱鏡再次還原為白光。通過這些實(shí)驗(yàn)，牛頓總結(jié)出了幾條結(jié)論，包括不同的色光具有不同的折射率、白光是由多種色光按比例混合而成的等，并解釋了物體呈現(xiàn)各種顏色的原因是該物體對(duì)特定顏色的光反射更強(qiáng)所致。1704年，牛頓出版了光學(xué)關(guān)于光的反射、折射、繞射和顏色的論文一書，集中匯總了他在光學(xué)領(lǐng)域所做的研究工作。光的本性 光的本性問題是物理學(xué)界長(zhǎng)久以來一直爭(zhēng)論不休的一個(gè)難題41。牛頓在思考這個(gè)問題時(shí)，將他所擅長(zhǎng)的物質(zhì)、粒子和力等概念滲透到光

5、學(xué)中，從而將光的本性解釋為物質(zhì)的微粒。這些微粒以一定的速率在真空中保持直線運(yùn)動(dòng)，碰撞到光滑的鏡面則產(chǎn)生彈性反射，而前文中笛卡爾的理論推導(dǎo)也證明了這種假說能夠解釋光的折射現(xiàn)象。微粒說能夠在相當(dāng)程度上完整地解釋幾何光學(xué)，而對(duì)于色散的問題，則要假設(shè)每一種顏色的光對(duì)應(yīng)一種顏色的微粒，不同顏色的微粒在真空中具有相同的速度，而在介質(zhì)中則具有不同的速度。然而，關(guān)于光的本性很多物理學(xué)者一直持有另外一種觀點(diǎn)，即光是一種彈性的機(jī)械波，持這種波動(dòng)觀點(diǎn)的代表人物有胡克和惠更斯等人。惠更斯在1678年所闡述的觀點(diǎn)認(rèn)為，光是發(fā)光體內(nèi)部的粒子振動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械波，這種機(jī)械波傳播所依靠的介質(zhì)被稱作以太?；莞拐J(rèn)為光是一種縱波，

6、從而以太這種物質(zhì)類似于空氣一樣，但沒有任何質(zhì)量，彌漫于整個(gè)宇宙中而無處不在。因此在波動(dòng)說看來，光的本質(zhì)就是能量通過以太的振動(dòng)在空間中的傳遞。波動(dòng)說同樣可以解釋很多光學(xué)現(xiàn)象，例如波在其他介質(zhì)中的傳播速率要小于在以太中的傳播速率，因而這種效應(yīng)會(huì)引起折射。對(duì)于色散，波動(dòng)說認(rèn)為每種顏色的光對(duì)應(yīng)有不同的波長(zhǎng)，因而在以太以外的其他介質(zhì)中波速不同。盡管波動(dòng)說能夠貌似更簡(jiǎn)單地解釋光學(xué)現(xiàn)象（除去需要假設(shè)存在以太的問題），當(dāng)時(shí)的科學(xué)界由于更相信牛頓的權(quán)威，在波動(dòng)說提出的一百多年里一直更推崇微粒說。 克里斯蒂安·惠更斯:在擺式時(shí)鐘或用于時(shí)鐘上的擺的運(yùn)動(dòng)的幾何證明、擺鐘等論文中提出了鐘擺擺動(dòng)周期的公式：。1

7、656年設(shè)計(jì)并制造出了利用擺取代重力齒輪的擺鐘。研究了完全彈性碰撞，證明了碰撞前后能量和動(dòng)量的守恒。研究成果在其死后發(fā)表于論物體的碰撞運(yùn)動(dòng)一文中。創(chuàng)立了光的波動(dòng)說，把以太作為光傳播的介質(zhì)，在光論一書中提出了惠更斯-菲涅爾原理。解釋了冰洲石的雙折射現(xiàn)象。 這種情形一直持續(xù)到十九世紀(jì)初，1801年英國科學(xué)家托馬斯·楊成功實(shí)現(xiàn)了光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，這是對(duì)波動(dòng)說的有力證明。他通過實(shí)驗(yàn)還初步測(cè)定了空氣中不同色光的波長(zhǎng)，已經(jīng)接近于現(xiàn)代測(cè)定的精確值。1809年法國物理學(xué)家馬呂斯發(fā)現(xiàn)了光的偏振，為了解釋這種現(xiàn)象托馬斯·楊在1817年假設(shè)了光波具有一個(gè)非常小的振動(dòng)的橫向分量，不過到了1821年

8、，法國物理學(xué)家奧古斯丁·讓·菲涅耳通過數(shù)學(xué)計(jì)算得出結(jié)論，光的振動(dòng)完全是橫向的。菲涅耳對(duì)波動(dòng)光學(xué)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的全方位研究，締造了波動(dòng)光學(xué)的理論基礎(chǔ)43，他的主要理論成就包括：提出了兩束光的干涉條件，在數(shù)學(xué)上完善了描述光傳播規(guī)律的惠更斯菲涅耳原理，菲涅耳指出光波的包絡(luò)面實(shí)際是各個(gè)子波彼此干涉的結(jié)果，并描述了近場(chǎng)的菲涅耳衍射；菲涅爾還得到了在物理上定量描述反射和折射規(guī)律的菲涅耳方程；以及關(guān)于光的偏振的研究，并發(fā)現(xiàn)了圓偏振光和橢圓偏振光。 奧古斯丁·讓·菲涅耳:1788年5月10日1827年7月14日），法國物理學(xué)家。他的主要工作是對(duì)光的本性的研究，對(duì)于波動(dòng)

9、光學(xué)的理論建立做出了杰出的貢獻(xiàn)，曾利用自己設(shè)計(jì)的雙鏡和雙棱鏡做光的干涉實(shí)驗(yàn)，繼托馬斯·楊之后再次證實(shí)了光的波動(dòng)性，并提出了兩束光發(fā)生干涉的條件，諸如：惠更斯-菲涅爾原理、菲涅爾衍射、對(duì)于反射現(xiàn)象和折射現(xiàn)象得出的菲涅耳方程以及較好的解釋了物質(zhì)的旋光性等。此外，他還設(shè)計(jì)了一種特殊的透鏡，稱為“螺紋透鏡”（菲涅耳透鏡）；又算出光在運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)中傳播時(shí)所謂的“曳引系數(shù)”，以后也為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 盡管波動(dòng)說在十九世紀(jì)的發(fā)展非常成功，光是一種橫波的事實(shí)意味著惠更斯關(guān)于以太的理論需要修改：以太不能像空氣那樣是“氣狀”的，而必須是彈性“膠狀”的。然而，假設(shè)一種膠狀的以太無疑會(huì)帶來更多麻煩，例如只有光才會(huì)和

10、以太產(chǎn)生相互作用，而物質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生任何作用。正如愛因斯坦所評(píng)價(jià)的那樣，需要假設(shè)彈性膠狀的以太意味著試圖完全用力學(xué)的觀點(diǎn)來解釋光的本性是沒有希望的，這也正是法拉第和麥克斯韋提出場(chǎng)的概念的重要意義所在14。光譜學(xué)的發(fā)展 十九世紀(jì)八十年代以前，人們對(duì)光譜學(xué)的研究還僅限于對(duì)光譜的觀測(cè)。著名的測(cè)量研究包括德國物理學(xué)家約瑟夫·夫瑯和費(fèi)在1814年至1815年間測(cè)定的太陽光譜，他將得到的八條吸收光譜線用字母A-H標(biāo)記，后人稱之為夫瑯和費(fèi)線。后來的光譜學(xué)主要用于新的化學(xué)元素的發(fā)現(xiàn)上，例如德國物理學(xué)家古斯塔夫·基爾霍夫就是通過研究堿金屬的光譜發(fā)現(xiàn)了新元素銫（1860年）和銣（1861年）。然而，從哪方面來看都需要對(duì)光譜的成因以及譜線之間的關(guān)系作出一個(gè)物理上的解釋，而這一點(diǎn)恰恰又是在當(dāng)時(shí)高度依賴機(jī)械觀的物理學(xué)界無法企及的問題。相反，一名瑞士中學(xué)教師約翰·雅各布·巴耳末于1884年總結(jié)出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的氫光譜公式，正是這個(gè)公式的正確性引發(fā)了物