第6篇 光学发展史

第六章光学发展史光学和几何学、天文学、力学一样，是一门有悠久历史的学科，也是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一。光学的发展史，大体可分为五个时期。1．萌芽时期。2．几何光学时期。3．波动光学时期。4．量子光学时期。5．现代光学时期。萌芽时期从我国春秋战国的墨翟（公元前468－376）开始直到以后的二千年之间，可谓光学的萌芽时期。它是光学发展史上缓慢前进的年代。在这一时期中，一方面对光的直线传播、反射和折射现象进行了实验和观察；另一方面，由于生产和生活的需要，发明了透镜、凹面镜，并应用于实际。萌芽时期最早且有据可查的是我国春秋战国时期的墨翟及其弟子的工作。欧几里德（古希腊，公元前330—275）也提出了光的直线传播性，他在《光学》一书中写道：“我们假想光是以直线进行的，在线与线间还留出一些空隙来，光线自物体到人眼成为一个锥体，锥顶在人眼，锥底在物体，只有被光线碰上的东西才给我们看见，没有碰上的东西就看不见了”。萌芽时期公元二世纪，托勒密（希腊人，公元70－147）研究了折射现象，写了《光学》一书，书中记载光由空气进入水中的入射角和折射角，得出一系列数据。他认为折射角和入射角成正比。阿尔一哈金（阿拉伯人，公元965－1038）首先发明了凸透镜，并对它进行了实验研究，所得的结果接近于近代关于凸透镜的理论。萌芽时期1299年，阿玛蒂（十三世纪）发明了眼镜。因此到15世纪和16世纪纪，凹面镜，凸面镜，眼镜，透镜等光学元件已相继出现。我国宋代的沈括（1031—1095）在《梦溪笔谈》中，记载了极为丰富的几何光学知识。我国元代的自然科学家赵友钦（1279—1368）著有《革象新书》，书中记有“小罅光景”的大型光学实验，其中讨论了物体表面照度与光源发光强度以及距离之间的关系。几何光学时期从时间上来看，大约包括十七、十八两个世纪，这是光学的转折时期。在这期间建立了光的反射定律和折射定律，为几何光学奠定了基础。同时为了扩大人眼的观察能力，出现了一些光学仪器。如李普塞（荷兰人，1587－1619）所制作的第一架望远镜的诞生、促进了天文学和航海事业的发展，延森（1588—1632）和冯特纳（1580－1656）最早制作了复合显微镜，为生物学的研究提供了强有力的工具。几何光学时期1609年，伽里略（意大利人，1564—1642）制造了用凸透镜做物镜，用凹透镜做目镜的伽里略望远镜。他的不朽的功勋之一是第一个把望远镜指向天空，当时的目的是为了证实哥白尼（波兰人。1473—1543）的日心说。开普勒（德国人，1571—1630）汇集前人的光学知识，于1611年发表了《屈光学》一书。书中记载：他研究了折射现象，断定托勒密关于折射定现的结论并不正确，折射定律的建立有两个创始人，一个是荷兰数学家斯涅耳（荷兰人，1591－1626），斯涅耳于1621年，从实际测量中抽象出这一定律，这一定律的表述是在斯涅耳去世后，于1626年在他的遣稿中找到的。另一个是笛卡儿（法国人，1596—1650），笛卡儿虽然倾向于光的波动说，但在解释光的折射时，又把光看作由无数小球组成。因此，他是从光的微粒观念中推导出折射定律的。在1637年出版的《折光学》一书中，他第一个正式公布具有现代形式的折射定律，把余割之比换成了正弦之比。几何光学时期费马（法国人，1601一1665）在1657年，首先指出光在介质中传播时，所走路程取极值的原理，并根据这个原理，推导出光的反射定律和折射定律。到十七世纪中叶，已经建立了光的反射和折射定律，从而奠定了几何光学的基础。以上理论是从光的直线传播作为基础的，但在实际观察中也存在违背这一原则的现象。如格里马（意大利人，1618—1663）等人首先观察到衍射现象。几何光学时期胡克（英国人，1635－1703）也观察到了衍射现象，并和玻义耳（英国人，1627—1691）独立地研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹。以上这些都是波动光学的萌芽。到了十七世纪后半叶，牛顿（英国人，1643－1727）和惠更斯（荷兰人，1629一1695）等对光的研究，才真正把光学引上了发展的道路。牛顿光学上的伟大贡献在1704年出版的《光学---论光的反射、折射、弯曲和颜色》一书中，书中描述了他所做过的实验和所得出的结论。首先，他为了改善望远镜头而磨制三棱镜，从而发现了色散现象。证明了白光是由各种色光复合而成的。几何光学时期牛顿的另一个实验是这样进行的，他用一块长纸板，一半涂成鲜红色，另一半涂成兰色，把它放在窗户边，通过一块玻璃棱镜来观察它。他发现：“如果把棱镜的折射棱角朝上，使纸板由于折射看起来好象是被抬高了。那么折射的结果使兰色半边比红色半边升得更高。但是当棱镜的棱角朝下，使纸板由于折射看起来好象是被放低了，兰的半边就比红的半边降得更低了。”根据以上实验，牛顿断定兰光折射得比红光更厉害些，并得出透镜聚光时，兰光和红光一定是聚集在离透镜不同的距离上。亚里士多德（希腊,公元前384一322）认为白色阳光通过美丽的古老大教堂的彩色玻璃窗之后变得五颜六色，好象白衣服放入不同染料的溶液中被染了色一样，是光把透明介质物体的可见性变成了现实。认为颜色是人们主观的感觉，一切颜色都是光明与黑暗，白与黑按光的比例混合的结果。几何光学时期不同颜色的光线具有不同的折射本领，被牛顿用来解释虹的成因。牛顿根据实验结果，也提出了错误的看法，他断定透镜成象存在根本的缺点，即不能形成清晰的物象。但是必须指出，牛顿的前提是错误的，他的错误在于他认为不同的透明物质是从相同的方式折射不同颜色的光线的。几何光学时期牛顿在光学中另一项精彩的发现是牛顿环。牛顿环是光具有波动性的最好证明之一，也说明了光的周期性。但是，因为牛顿在关于光的本性的讨论中倾向于微粒说，所以他不可能对光的以上性质加以进一步的探讨。牛顿的高明之处是：他不仅详细地定性的描述了实验现象，而是进一步作了定量的测量。惠更斯的贡献和牛顿同时代的惠更斯，他主张光的波动说，认为光是在“以太”中传播的波。提出次波原理：惠更斯原理。惠更斯原理虽然能够解释不少光学现象，但他的波动说是比较粗糙的，又错误的认为光是一种纵波，因此他还摆脱不了几何光学的观念。几何光学时期十七世纪还讨论了另一个问题，即“是不是有一个有限的光速？”笛卡儿采取否定的态度，而伽里略是肯定的。在整个十八世纪，光学几乎没有什么发展，多数科学家赞成光的微粒说，而欧拉（瑞士人，1707—1783）和伯努利（瑞士人。1700—1782）却坚持和发展了“从太”的波动理论。波动光学时期进入1800年，由于英国医生杨（英国人，1773－1829）和法国工程师菲涅耳（法国人，1788－1827）的工作，使波动说又重新提出，并取得成功。波动光学时期扬在1800年的论文中。根据光的波动本性解释了牛顿环的现象，并描述了杨氏双缝干涉实验，第一次用实验显示了光的干涉现象，并由此成功地测出了红光和紫光的波长，并且认为光是横波。扬取得了很多研究成果，其中包括人眼的构造和功能。波动光学时期菲涅耳继续了扬的工作，1815年他用扬的干涉原理补充了惠更斯原理，提出了惠更斯——菲涅耳原理。运用这一原理不仅能解释光在各向同性介质中的直线传播，同时也能解释光的衍射现象。1808年马吕斯（英国人，1775—1812）偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。菲涅耳和阿拉果（1786一1853）在1819年提供了相互垂直的偏振光不相干涉的证明，这是光的横向振动理论最终的证实。波动光学时期夫琅和费（德国人，1787－1826）对折射的研究。1835年施维尔德（1792—1871）发表了总结性的文章；题为《从波动论的基本定理出发分析地阐明衍射现象》之后，才告一段落。1845年，法拉第（英国人，1791—1867）发现了偏振光的振动面在强磁场中旋转的现象，从而揭示了光和电磁的内在联系。1856年韦伯（德国人，1804－1891）和柯尔劳斯（德国人，1809—1858），发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于光在真空中的传播速度。波动光学时期1865年，麦克斯韦（苏格兰人，1831—1879）电磁场理论建立，得出电磁波以光速传播，所以说明光是一种电磁现象。这一理论，于1888年被赫兹（德国人，1857－1894）用实验证实。因此建立了光的电磁理论。1849年菲索（法国人，1819—1896）利用转动齿轮法，1862年佛科（法国人，1819～1868）利用旋转镜法，第一次在实验室测定了光的速度，这就完全证实了波动说的正确性。量子光学时期黑体辐射的能量按波长的分布，和光电效应。维恩（德国人，1864--1928）公式和瑞利（英国人，1842--1919）—金斯（英国人，1877—1946）公式，前者在短波区和实验结果相符，而后者，在长波区和实验结果相符。普朗克公式在1900年，普朗克（德国人，1858—1947）大胆地提出了能量子假说，认为各种频率的电磁波只能从一定的能量子方式从振子发射，能量子是不连续的，它的值是光的频率和普朗克常数的乘积的整数倍，它和实验结果完全符合。不仅如此，量子论还以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。它不但给光学而且给整个物理学提供了新的概念，因此，它的诞生被看作近代物理学的起点。光电效应当光照在某些金属上会逸出电子，这就是光电效应。爱因斯坦（生于德国，1879－1955）于1905年，提出了对以上现象的一个解释。被康普顿（美国人，1892－1962）效应所证实。1924年德布罗意（法国人，1892一）创立了物质波学说，他大胆地设想每一物质的粒子的运动都和一定的波动相联系现代光学时期二十世纪五十年代以来，尤其是在激光问世以后，光学和许多科学技术领域紧密结合，相互渗透，派生了不少崭新的分支学科，因此光学开始了一个新的发展时期，成为现代物理学和现代科学技术的前沿阵地之一。现代光学时期在激光器诞生以后，为摄影术向前发展提供了可能，因此出现了全息摄影术。由于激光的出现，光学的重要发展之一，是将数学中的付里叶（法国人，1768－1830）变换和通讯中的线性系统理论引入光学，形成了一个新的光学分支——付里叶光学。在激光器出现一年以后，非线性光学（也称强光学）作为光学的一个分支也发展起来了。二、人类对光的本性的认识关于光的本性究竟是什么？人类进行了大约三百年的争论，其间有各种不同的学派，但总的来说不外乎粒子说和波动说两种。这两种学说在不同时期各自占据着统治地位，随着认识的发展，人们对粒子和波的概念的看法也有所发展。最后当爱因斯坦和德布罗意提出波粒二象性后，争论才告一段落。二、人类对光的本性的认识人类对光的本性的认识，追溯其历史，可以看出，它是由初浅到深入，由片面到全面，从实验到理论，由现象到本质逐步发展起来的，最后建立起光的本性的理论。但是从科学发展的眼光来看关于光的本性的理论并没有穷尽，还待于进一步的探讨。1.惠更斯和牛顿之争早在十七世纪就开始了对光的本性的问题的讨论，当时有两种不同的观点，一种是以笛卡儿、胡克、惠更斯为代表的波动说，另一种是以牛顿为代表的微粒说。笛卡儿所著《光学》一书中，对光的本性虽然没有提出什么明确的观点，由于他的主张的核心是强调了媒质的影响，是以“作用”的传播为出发点，特别是以接触作用或近距作用为出发点，所以人们把他的主张归属于波动说这一面。胡克的工作胡克在1665年发表了《显微术》一书，主张“光是一种振动”。提出：发光是说明“运动的部分”返回来了。提出这种运动不可能是圆运动，球状运动，也不可能是其他的不规则运动。“它是一种很短的振动”。胡克的工作他写道：“在一种均匀煤质中这一运动在各个方向上都以相等的速度传播，于是发光体的每一脉动和振动都必须形成一个球面，这个球面将不断增大，如同投石入水后引起的越来越大的环状波一样。由此可知，在均匀媒质中扰动而成的球面的一切部分都与射线正交”。胡克的工作从胡克的记述中，我们看出已经含有波前、波面的概念。他又把有关波面的思想用于对光的折射现象的研究，然后又