绪论

光是一种我们再熟悉不过的自然现象。地球上的一切生命赖以存在的先决条件就是太阳源源不断地将能量以光的形式输送到地球上，再通过植物的光合作用，形成生物质，支撑着庞大生物链的运行。因此光与人类生活密切相关，而人对光的特别关注也就不足为奇了。人类认识光和使用光的历史早到无以考证。在中国古代传说中，就有燧人氏钻木取火的故事，其实这就是将机械能转换成热能，最后获得光能的过程。到了周代，人们又发明了阳隧取火，即利用凹面镜对着太阳聚焦取火。实际上早在四千多年前，人类制造的各种青铜器中就包括反射镜。我国出土的殷商以前距今约3600年的齐家文化时期的近50件青铜器中就发现有2枚铜镜。

尽管光与水、土等物质一样司空见惯，存在于我们周围，但光究竟是什么？数千年来却一直像谜一样困扰着人们。光似乎被层层面纱包裹着，虽然我们能看得着，可是却看不清。历史上有很多天才都试图揭开这个谜团。我国的先贤们在这方面也曾做过杰出的贡献。公元前4世纪，墨翟（公元前478？—公元前392？）对包括光在内的很多自然现象作了观察研究，并著有《墨经》一书，书中有八条关于光学现象的记载，分别叙述了影的定义和生成，光的直线传播特性和针孔成像，并且以严谨的文字讨论了有关平面镜、凹球面镜和凸球面镜成像中物和像的关系。这是世界上最早的、有文字记录的光学知识。公元前3世纪，希腊数学家欧几里得（Euclid，约前330—前275）在所著的《光学》一书中，讨论了平面镜成像问题，提出了反射角等于入射角的反射定律。此后，人们陆续认识到光的直线传播、光的反射和折射规律，这些规律都可以将光视为一种粒子来解释。牛顿（I. Newton，1642—1727）就是这种学说的代表人物。但光具有独立传播性质，就是两束光相遇后互不干扰地独立传播。这一点，粒子说无法解释，两束粒子流在空间相遇，不发生碰撞，各走各的路，如此“谦让”的粒子令人不解。

随着时代的进步，笼罩在光外面的神秘面纱被陆续揭开。1660年，意大利教授格里马第（Francesco Maria Grimaldi，1618—1663）发现光的衍射现象。1672—1675年间，胡克（B.Hooke，1635—1703）也观察到衍射现象。他还和波义耳（R.Boyle，1627—1691）独立地研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹。1801年，杨（T. Young，1773—1829）用干涉法测出光波波长，提出光波干涉原理。这样光具有衍射、干涉效应已成为无可争辩的事实，并与光的粒子说格格不入。因此光的波动说便应运而生，最初的代表人物是荷兰物理学家惠更斯（C. Huygens，1629—1695），他在1690年出版的著作《论光》中，提出了后来以他的名字命名的惠更斯原理，解释了光的直线传播、反射、折射和双折射等现象。1818年菲涅耳（A. J. Fresnel，1788—1837）运用惠更斯作图方法，结合干涉原理解释了衍射现象。他将惠更斯原理发展为更完善、更具体、更普遍地处理各类衍射问题的原理。但光的波动说也并非无懈可击。例如，牛顿曾反驳波动说的观点说，如果光是波的话，那么就不会有阴影，因为波可以绕过障碍物。另外，既然光是波，就应该有传播光的介质，就像水波的介质是水，声波的介质是空气，那么传播光的介质是什么？为此，波动说的支持者不得不假设光是在一种所谓的“以太”这种假想的介质中传播。根据光可以在真空中传播的事实，“以太”必然充满整个空间，而且极为稀薄。由声波的经验可知，如果光是在稀薄的“以太”中传播的话，只能是纵波。然而，1808年马吕斯（E. J. Malus，1775—1812）观察到了光的偏振现象。1811年，布儒斯特（D. Brewster，1781—1868）发现偏振光的布儒斯特定律。光具有偏振性充分表明光不是纵波，而是横波。据此推测“以太”不仅稀薄，而且非常有刚性，否则不能支持横波的传播。“以太”的这种古怪的性质，颇令人费解。不过，寻找“以太”却成为很多科学家终生孜孜以求的目标。

除了光的干涉、衍射和偏振很难用粒子理论圆满地解释外，还有一个判决性的实验，就是对光在介质中的速度变化的预言。很早就知道，光从空气进入水中的折射角小于入射角。牛顿对这一现象的解释是:当光的粒子通过空气和水的界面时，将受到垂直于界面并向着水内部的加速力。光进入水中后，垂直于界面的速度增大，折射角小于入射角。按照这种理论，水中的光速应大于空气中的光速。但1862年，法国物理学家傅科（Jean Bernard Lèon，Foucault，1819—1868）对光速的测量结果表明，水中的光速比空气中的光速小。用惠更斯原理能圆满地解释这一结果。这对光的粒子理论是一个重大的打击。

正在光是波还是粒子的辩论难解难分的时候，物理学的其他领域并没有停止前进的脚步，甚至可以说是在飞速发展。1875年，法国物理学家库仑（C. A. Coulomb，1736-1806）用自己发明的扭秤研究了电荷之间的相互作用力，得到了静电力的平方反比规律。1820年是电磁学的丰收年，在这一年，奥斯特（H. C. Oersted，1771-1851）发现导线通电产生磁效应;同年，毕奥（J.B.Biot，1774—1862）和萨伐尔（F.Savart，1791—1841）由实验归纳出电流元产生磁场的定律;也是在这一年，安培（A. M. Ampère，1775—1836）从实验中发现了电流之间的相互作用力。1822年，安培进一步研究了电流之间的相互作用规律，提出了安培作用力定律。1831年，法拉第（M. Faraday，1791—1867）发现了电磁感应现象。1834年，楞次（H. F. E. Lenz，1704—1865）建立了楞次定则。

英国物理学家麦克斯韦（J. C. Maxwell，1831—1879）系统地总结了电磁学的诸实验规律，并引进了位移电流和涡旋电场的概念。1864年，麦克斯韦提出电磁场的基本方程组，即麦克斯韦方程组，标志着电磁场理论的建立。从这组方程式出发，理论上推断了电磁波的存在，而且得到的电磁波速率和当时测量到的光速极为相近，因此大胆预言光是一种电磁波，为光的电磁波理论奠定了基础。光的电磁波理论能解释大多数光的现象和特性。1887年，赫兹（H. Hertz，1857—1894）成功地实施电磁波实验，证实了麦克斯韦的电磁场理论。至此，光的波动说取得了压倒性胜利。看来光的波动学支持者可以为此欢呼雀跃了。但是，且慢，就在奠定光的波动性质几乎不可动摇的地位的时候，偏偏动摇光的波动性的实验接二连三地出现了。也在1887年，还是赫兹发现了光电效应。光在这种场合下的特性是用波动说万万解释不通的，于是光的又一层面纱被揭开了。此后，黑体辐射的实验结果、康普顿效应、光电效应，以及迈克耳逊的测量光速实验等就像是朵朵乌云在物理学的天空飘荡。光就像是一只墨鱼，当人们就要捕捉到它的时候，它偏偏放出一团“烟幕”，在人们眼下溜走，永远不让你看个究竟。然而，塞翁失马，焉知非福。光的各种新效应的发现，由于不能在经典物理的框架下解决，迫使人们不得不忍痛割爱，放弃几乎完美的经典物理框架，寻找新的物理机理，从而导致了近代物理的两大支柱量子力学和相对论的建立。

现在人们了解到光有两张面孔，即具有波粒二象性，时而表现出粒子性，时而又表现出波动性。一般地，光在传播过程中表现出波动性，可以由经典的麦克斯韦电磁理论完全描绘。在宏观尺度下，即通常光的波长可以忽略的多数场合，光的波动性质很难察觉，从而光表现出经典意义上的粒子性。但当光与物质相互作用时，伴随能量、动量、角动量的交换，在这种情况下，麦克斯韦的波动理论无能为力，要确切理解这种作用过程，非得借助于量子理论不可。此外，当光在高速运动介质中或强引力场中传播时，必须考虑到相对论效应才能得到正确的结果。

总之，光是什么？这是个复杂的问题。从古到今，人们还没有完全弄清光的本性。本书总结了近代关于光的种种理论和概念，试图能对光的波动性以及波粒二象性作一个比较系统、全面的介绍。介绍的框架如图0-1所示，出发点就是光的电磁波理论。图0-2所示为各种波段电磁波的波长和能量的大致范围，以及相应的发射源、探测器和作用对象。

图0-1 近代光学知识结构图

图0-2 电磁波的波谱

诗人顾城曾写下著名的诗句:“黑夜给了我黑色的眼睛，我却用它来寻找光明!”。这首诗十分有张力，看过后让人印象极深。我们进一步要说:“光为我们带来了光明，我们要用智慧去探寻光的本性。”