光——最接近世界本质的存在

人类对于客观世界的认知,首先依赖于人类身体的感觉器官对世界的感知,而认知的绝大部分来自于视觉,或者说来自于光。

光是最接近世界本质的存在,从某种意义上来说,对光的本质的研究引领了物理学的革命,光的历史构筑了物理学的历史。

黑洞边缘的光

光一直以来都是哲学家和科学家的兴致所在。赫拉克利特说,光是燃烧的过程,而非燃烧的东西;牛顿认为光既在同一直线上相继,又在不同直线上同时;爱因斯坦考虑到,光速是不受时间约束,永恒不变的存在。光的历史大体可分成三个阶段:几何光学、具象光学和抽象光学。

几何光学

正如几何学被应用于研究物质那样,有关光学的论证都立足于经验引出的事实上。——惠更斯。

人类早期的光学研究为几何光学,把光作为一种几何概念的存在,主要观察光的直线传播、反射规律、透镜成像等经验问题,不涉及光的本质,但仍然蕴含着哲理。

月食

战国时期,墨翟在《墨经》中就提到了光和影的关系,认为光从物体发出或被物体反射,从而被眼睛看见。古希腊时期,阿那克西曼德特提出了月亮因反射太阳的光线而发光,亚里士多德对眼睛向物体发出视线的说法产生质疑。公元前3世纪,欧几里得在《反射光学》中,给出了人类在光学领域第一个定量的反射定律,而整个几何光学的巅峰当属费马原理:光线传播的路径总是需时最少的路径。

费马原理:光程泛函的变分为零δF(t)=0。具象光学

“光的颜色多种多样”与物体运动的不同方式有深刻联系。——笛卡尔

关于光的认知,真正走向近代科学的是达芬奇、伽利略和笛卡尔等人,笛卡尔在1635年的《折光学》中第一次假设平行于两种介质界面的速度分量不变,对折射定律进行了理论推证,并首先提出了关于光的本性的两种假说,一种认为光是类似微粒的一种物质,后来成为牛顿支持的微粒说;另一种认为光是一种以”以太“为介质的压力,也就是惠更斯坚持的波动说。

以太:所有的空间,甚至在恒星之外最遥远的距离上,都应充满着物质。——笛卡尔

牛顿通过思考认为,假如光是一种波,它应当同声音一样绕过障碍物,而不产生影子,又经过双折射实验发现,光线在不同的侧面应被赋予了不同的性质,这一卓越的灵感使得牛顿加深了对波动说的反对,因为如果压力或者波动通过均匀介质传播而来,必定在所有侧面都是相同的。

双折射与偏振:光波电矢量振动对于光的传播方向失去对称性

1672年,牛顿在《关于光和颜色的理论》中提出光的复合与色散:光不同颜色的微粒混合或分开构成了光的各种颜色。

光的色散实验:同一可折射性总是属于同一颜色,同一颜色总是属于同一可折射性。

我没有把引力看作物体的基本属性,我之所以有这样的疑问,是因为我由于缺乏实验而对它还不满意。——牛顿

牛顿折射定律:入射正弦与折射正弦成一给定的比率。AD是入射角正弦,EF是折射角正弦。

1704年牛顿在《光学》中又将微粒说与牛顿力学体系融为一体,合理地解释了反射和折射定律,由此光的微粒说占据上风。

光的波动说:以蜡烛火焰的ABC三点为中心作出的同心圆表示来自它们的光波

另一种是惠更斯坚持的波动说,惠更斯认为,假设光是一种微粒,那么光在交叉时就会发生碰撞而改变方向。1690年,惠更斯在《光论》中建立了惠更斯原理:介质中任一波阵面上的各点,都是发射子波的新波源,其后任意时刻,这些子波的包络面就是新的波阵面。根据此原理,可以完美地推导出光的反射和折射定律。

反射定律

惠更斯反射定律:CB是入射光,AC表示入射光波的一部分(光波中心无限远,AC可视为一条直线),圆弧SNR以A为圆心,以AG为半径,另外三条圆弧分别以三个K为圆心,以三个KM为半径。直线BN是四条圆弧唯一的公切线,因此反射光只能沿着AN方向。根据三角形相似性,入射角∠CBA等于反射角∠NAB。

折射定律

惠更斯折射定律:DA是入射光,AC是入射光线的一部分,假定光波在介质中传播速度会减慢,因此以A为圆心产生的球面波SNR的半径小于BC,同理K点产生的球面波等比例的小于HK,则BN是所有圆弧的公切线,从A点作BN的垂线AN,就表示折射光。

1801年,托马斯杨进行了著名的杨氏双缝实验,光屏上出现了明暗相间的黑白条纹,并首次提出了光是一种横波以及光的干涉现象,后来菲涅耳用两个平面镜产生的相干光源完成了光的干涉实验,夫琅禾费通过光栅发现了光的衍射现象,光的波动说逐渐牢固。

夫琅禾费衍射

在这个相当长的时期内,人们对光波的理解仅仅局限于某种介质的力学振动,众所周知的“以太”就是所谓光的载体。

抽象光学

1865年,麦克斯韦建立了电磁场的麦克斯韦方程组,推出电磁场的扰动以“以太”为介质振动传播,并计算出光速为每秒31万千米(∂²ψ/∂t²-c²∂²ψ/∂x²=0)。1887年,迈克尔逊莫雷实验否定了地球相对于“以太”运动,“以太”进而失去了作为绝对参考系的价值,使得人们接受了电磁场本身就是物质存在的一种形式,最终让光速不变原理和狭义相对论原理得到普遍认同。

麦克斯韦方程组

1887年,赫兹发现了光电效应,光的微粒性再一次被证实,1900年,普朗克首次提出量子化假设(ε=ℏω),1905年爱因斯坦提出光量子假说(E=hv),同年康普顿证明了X射线的微粒性(λ=h/mc)。1923年,德布罗意提出的波粒二象性(λ=h/P),1927年汤姆生在实验中证实了电子束的波动性质。量子力学的建立冲破了把光仅仅理解为某种振动的狭隘观念,人们终于意识到光的抽象理念。

克西米尔效应

20世纪后期,科学家认识到真空涨落存在虚光子(i-Photon),1948年,克西米尔发现了真空量子化的克西米尔效应(F=-Cπ/d²),1954年杨振宁创立了杨——米尔斯理论,基本粒子的行为不再符合对称群描述。

杨——米尔斯理论

光是从黑暗之中喷薄而出一种原创的力量——启蒙。

光既是粒子又是波,既确定又不确定,既是概率又是实体,光的概念由模糊到具象再到抽象,最终的“经验”慢慢靠近最初的“印象”,似乎暗示了某种循环,蕴藏着某种深刻的意义。

光在各种创世的神话之中象征着世界的秩序
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