現代光學對光本性的研究分析

曲陽 曹顯瑩

[摘 要] 光學作為物理學中極其重要的也最古老的學科，至今依舊活躍在現代科學技術領域，它不僅具有超強的生命力，還具有普遍的實用性。主要從現代光學的角度對光的本性進行研究與分析，以便為光學在實際生活與學術中的應用提供理論與實踐基礎。

[關 鍵 詞] 現代光學；光的本性；研究

[中圖分類號] O431 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）13-0221-01

一、光的波動說與微粒說

（一）光的波動說

物理學家惠更斯認為光是一種微小粒子，它是發光體在震動后彌漫在宇宙空間中的一種常規傳播過程，也就是說發光體在以“太”振動時，光的振動源就是以“太”為單位的一種介質點，并逐漸向周圍傳播球面次波，而當這些球面次波通過不同的形式組合在一起時所形成的包絡面，就成了下一個瞬間的新的波面，因此人們便將其稱作惠更斯原理。這不僅在一定程度上反映和解釋了光的反射，也在一定程度上確認了光只是一種波動運動，但也從另一個側面反映了光在空氣中的傳播速度是顯著高于光在水中的傳播速度的，而從當時的條件來看，這符合光在空氣與水中的測定條件。直到1678年惠更斯推導出光的直線傳播、反射和折射定律，才真正地推動了光學研究與運用的全面發展，但好景不長?；莞沟墓鈱W波動說原理也為后來托馬斯·楊等人的波動說復興提供了堅實的理論基礎。

（二）復興波動說

1801年物理學家托馬斯·楊利用干涉觀念對牛頓環做了全面的解釋，也使托馬斯·楊成為歷史上第一個通過近似測定波長的科學家。第二年托馬斯·楊又通過光的波動說原理成功地闡明了光的干涉與相關分布規律，直到1807年托馬斯·楊出版《自然哲學與機械工藝講義》再一次全面地對光的波動說和光的干涉進行了更深層次的闡述。

1815年物理學家菲涅爾通過兩個小孔試驗證明：影子的存在與光的直線傳播以及光的干涉現象和聲音的干涉現象是存在差異的，這也為光的波動說理論增添了光彩的一筆。直到后來物理學家泊松通過圓片陰影亮點假設證明，在菲涅爾關于光的干涉理論中，當圓片的半徑相對較小時，這個亮點才會更明顯。而在后來的一段時間內菲涅爾又成功地證明和闡述了光的衍射現象，因此，人們也親切地將菲涅爾推算出來的公式叫做菲涅爾公式。但同時我們也可以看出，菲涅爾的研究依舊是以“太”為傳播介質的，雖然大部分光的傳播途徑能很好地解釋與證明，但對光的本質認識依舊有很長的一段距離。

（三）微粒說與波動說之爭

在對光的折射現象分析中，微粒說與波動說最終形成和得到的結論都是各不相同的。光的微粒說闡明了光在介質中的速度在很大程度上是大于光速的，而光的波動說卻在一定程度上證明了光速在某種介質中的傳播速度小于光疏介質中的光速。但無論如何這都與當時的試驗條件相關，因此誰是誰非根本無法確定。

二、光的電磁波理論體系的建立與發展

1865年，電磁波第一次由物理學家麥克斯韋提出，麥克斯韋通過對電磁波的計算得出電磁波的傳播速度與光速是相等的。同時麥克斯韋的成功語言語試驗也有力地揭示了光現象與電磁現象之間的密切聯系。直到德國物理學家赫茲在1888年的物理試驗中證明了電磁波的存在，才使麥克斯韋的理論逐漸被大眾所接受。而在電磁波的定量研究中，麥克斯韋除了有效地測定了電磁波的橫波性外，還通過類比機械波的波速相關性證明了電磁波的傳播速度與電場之間的相互聯系。

（一）光輻射的量子性分析

為了有效地推導出黑體輻射公式，物理學家普朗克將頻率y作為主要的諧振子，將過量取值定為E=hy的整數倍，并將其命名為能量子，但他依舊感到難以置信。因此，為了盡量降低經典物理學之間的矛盾，他逐漸將合體黑體空腔壁上的諧振子的能量逐步量子化，而適當地忽略腔內輻射場本身所具有的連續性，也就是具有連續分布效應的麥克斯韋電磁場，雖然普朗克的量子論在黑體輻射方面取得取得了巨大的成功，但沒真正地對光電效應做出科學、合理、有效的闡述。而從愛因斯坦對熱輻射的研究結果表明，麥克斯韋電磁場理論是存在一定缺陷的，其主要缺陷是連續空間函數理論。

普朗克與麥克斯韋的理論卻在移動程度上幫助愛因斯坦找到了一條出路：就是拋棄麥克斯韋的對電磁場的連續場，大膽地承認光量子的存在，也就是說，當光束與物質相互作用時，其能流與光的波動理論中運行情況存在較大差異，它不具有連續分布性，同時通過光量子的形式存在于相應的光子粒子上，此時光子的能量與其頻率之間成正比，也就是說E=hy。通過這樣的形式能有效地解決黑體輻射、紫外線等產生的各種現象。

（二）再次認識光的本性

在愛因斯坦、康普頓等人對光輻射的量子性研究后，直到1956年光子成串試驗以及后來的光子反成串效應的證實才真正地打開了光子研究的新局面與新方向。而從光子成串試驗的研究結果來看，其結果是令人驚奇的，一是光子成串試驗中的光子有明顯的正關聯效應，也就是說光子在正關聯效應下不具備相應的隨機分布規律，而是以長成串的形式出現；二是光子在熱光源的環境下呈現出服從玻色設計。運行速度相對較高，同時平均的光子數也處于相對較高的相干態；三是激光的二階相干度不存在關聯性，在粒子數完全相等且確定的情況下激光的二階相干性還表現出負關聯狀態，而這些現象都是與經典物理學理論的結果背道而馳的。光子成串效應的提出也將人們對光的本性認識提上了更高的平臺。

參考文獻：

[1]郭中華.初探現代光學對光本性的研究[J].甘肅科技縱橫，2005，34（5）：45.

[2]劉傳杰，李玉梅.紙張表面光學特性的研究分析[J].今日印刷，2017（5）：63-64.

[3]肖駿.基于導波光學對光纖陀螺傳輸特性的探討[J].信息通信，2018（1）.