光的科學(xué)
光是人類(lèi)眼睛可以看見(jiàn)的一種電磁波，也稱(chēng)可見(jiàn)光譜。在科學(xué)上的定義，光是指所有的電磁波譜。光是由光子為基本粒子組成，具有粒子性與波動(dòng)性，稱(chēng)為波粒二象性。光可以在真空、空氣、水等透明的物質(zhì)中傳播。對(duì)于可見(jiàn)光的范圍沒(méi)有一個(gè)明確的界限，一般人的眼睛所能接受的光的波長(zhǎng)在400-700毫米之間。人們看到的光來(lái)自于太陽(yáng)或借助于產(chǎn)生光的設(shè)備，包括白熾燈泡、熒光燈管、激光器、螢火蟲(chóng)等。
光是地球生命的來(lái)源之一。光是人類(lèi)生活的依據(jù)。光是人類(lèi)認(rèn)識(shí)外部世界的工具。光是信息的理想載體或傳播媒質(zhì)。因?yàn)楣馐侨祟?lèi)生存不可或缺的物質(zhì)，光的成語(yǔ)非常多，也有同名的歌曲。
1 光的奧秘
蘇格蘭物理學(xué)家詹姆士·克拉克·——19世紀(jì)物理學(xué)界的巨人之一的研究成果問(wèn)世，物理學(xué)家們才對(duì)光學(xué)定律有了確定的了解。從某些意義上來(lái)說(shuō)，麥克斯韋正是邁克爾·法拉第的對(duì)立面。法拉第在試驗(yàn)中有著驚人的直覺(jué)卻完全沒(méi)有受過(guò)正式訓(xùn)練，而與法拉第同時(shí)代的麥克斯韋則是高等數(shù)學(xué)的大師。他在劍橋大學(xué)上學(xué)時(shí)擅長(zhǎng)數(shù)學(xué)物理，在那里艾薩克·牛頓于兩個(gè)世紀(jì)之前完成了自己的工作。
牛頓發(fā)明了微積分。微積分以“微分方程”的語(yǔ)言來(lái)表述，描述事物在時(shí)間和空間中如何順利地經(jīng)歷細(xì)微的變化。海洋波浪、液體、氣體和炮彈的運(yùn)動(dòng)都可以用微分方程的語(yǔ)言進(jìn)行描述。麥克斯韋抱著清晰的目標(biāo)開(kāi)始了工作——用精確的微分方程表達(dá)法拉第革命性的研究結(jié)果和他的力場(chǎng)。
麥克斯韋從法拉第電場(chǎng)可以轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)且反之亦然這一發(fā)現(xiàn)著手。他采用了法拉第對(duì)于力場(chǎng)的描述，并且用微分方程的精確語(yǔ)言重寫(xiě)，得出了現(xiàn)代科學(xué)中最重要的方程組之一。它們是一組8個(gè)看起來(lái)十分艱深的方程式。世界上的每一位物理學(xué)家和工程師在研究生階段學(xué)習(xí)掌握電磁學(xué)時(shí)都必須努力消化這些方程式。
隨后，麥克斯韋向自己提出了具有決定性意義的問(wèn)題：如果磁場(chǎng)可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶?chǎng)，并且反之亦然，那若它們被永遠(yuǎn)不斷地相互轉(zhuǎn)變會(huì)發(fā)生什么情況？麥克斯韋發(fā)現(xiàn)這些電—磁場(chǎng)會(huì)制造出一種波，與海洋波十分類(lèi)似。令他吃驚的是，他計(jì)算了這些波的速度，發(fā)現(xiàn)那正是光的速度！在1864年發(fā)現(xiàn)這一事實(shí)后，他預(yù)言性地寫(xiě)道：“這一速度與光速如此接近，看來(lái)我們有充分的理由相信光本身是一種電磁干擾。”
這可能是人類(lèi)歷史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。有史以來(lái)第一次，光的奧秘終于被揭開(kāi)了。麥克斯韋突然意識(shí)到，從日出的光輝、落日的紅焰、彩虹的絢麗色彩到天空中閃爍的星光，都可以用他匆匆寫(xiě)在一頁(yè)紙上的波來(lái)描述。今天我們意識(shí)到整個(gè)電磁波譜——從電視天線(xiàn)、紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)、微波和γ射線(xiàn)都只不過(guò)是麥克斯韋波，即振動(dòng)的法拉第力場(chǎng)。根據(jù)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，光在路過(guò)強(qiáng)引力場(chǎng)時(shí)，光線(xiàn)會(huì)扭曲。
2 光的速度
真空中的光速是宇宙中最快的速度，在物理學(xué)中用c表示。光在真空中1s能傳播299792000m，也就是說(shuō)，真空中的光速為c=2.99792×10^8m/s。
光在其他各種介質(zhì)的速度都比在真空中的小。空氣中的光速大約為2.99792000×10^8m/s。在我們的計(jì)算中，真空或空氣中的光速取為c=3×10^8m/s.(最快，極限速度）光在水中的速度比真空中小很多，約為真空中光速的3/4；光在玻璃中的速度比在真空中小的更多，約為真空中光速的2/3。如果一個(gè)飛人以光速繞地球運(yùn)行，在1s的時(shí)間內(nèi)，能夠繞地球運(yùn)行7.5圈；太陽(yáng)發(fā)出的光，要經(jīng)過(guò)8min到達(dá)地球，如果一輛1000km/h的賽車(chē)不停地跑，要經(jīng)過(guò)17年的時(shí)間才能跑完從太陽(yáng)到地球的距離。
光速取代了保存在巴黎國(guó)際計(jì)量局的鉑制米原器被選作定義“米”的標(biāo)準(zhǔn)，并且約定光速?lài)?yán)格等于299,792,458米/秒，此數(shù)值與當(dāng)時(shí)的米的定義和秒的定義一致。后來(lái)，隨著實(shí)驗(yàn)精度的不斷提高，光速的數(shù)值有所改變，米被定義為1/299,792,458秒內(nèi)光通過(guò)的路程,光速用“c”來(lái)表示。
3 光的分類(lèi)
光按照來(lái)源分為人造光和自然光。自身發(fā)光的物體稱(chēng)為光源，光源分冷光源和熱光源。
光按照科學(xué)研究分為三類(lèi)：
第一種是熱效應(yīng)產(chǎn)生的光，太陽(yáng)光就是很好的例子，此外蠟燭等物品也都一樣，此類(lèi)光隨著溫度的變化會(huì)改變顏色。
第二種是原子發(fā)光，熒光燈燈管內(nèi)壁涂抹的熒光物質(zhì)被電磁波能量激發(fā)而產(chǎn)生光，此外霓虹燈的原理也是一樣。原子發(fā)光具有獨(dú)自的基本色彩。
第三種是同步加速器（synchrotron）發(fā)光，同時(shí)攜帶有強(qiáng)大的能量，原子爐發(fā)的光就是這種，但是我們?cè)谌粘Ｉ钪袔缀鯖](méi)有接觸到這種光的機(jī)會(huì)。
光按照光束特性分為普通光和激光
普通光：一般情況下，光由許多光子組成，在熒光（普通的太陽(yáng)光、燈光、燭光等）中，光子與光子之間，毫無(wú)關(guān)聯(lián)，即波長(zhǎng)不一樣、相位不一樣，偏振方向不一樣、傳播方向不一樣，就象是一支無(wú)組織、無(wú)紀(jì)律的光子部隊(duì)，各光子都是散兵游勇，不能做到行動(dòng)一致。
激光：激光光束中，所有光子都是相互關(guān)聯(lián)的，即它們的頻率（或波長(zhǎng)）一致、相位一致、偏振方向一致、傳播方向一致。激光就好像是一支紀(jì)律嚴(yán)明的光子部隊(duì)，行動(dòng)一致，因而有著極強(qiáng)的戰(zhàn)斗力。這就是為什么許多事情激光能做，而陽(yáng)光、燈光、燭光不能做的主要原因。
光按照光譜分為：紅外光、可見(jiàn)光、紫外光。人類(lèi)肉眼所能看到的可見(jiàn)光只是整個(gè)電磁波譜的一部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類(lèi)感官收到外部世界的總信息中，至少90%以上通過(guò)眼睛……。電磁波之可見(jiàn)光譜范圍大約為390～760nm(1nm=10^-9m=0.000000001m)，有實(shí)驗(yàn)證明光就是電磁輻射，這部分電磁波的波長(zhǎng)范圍約在紅光的0.77微米到紫光的0.39微米之間。波長(zhǎng)在0.77微米以上到1000微米左右的電磁波稱(chēng)為“紅外線(xiàn)”。在0.39微米以下到0.04微米左右的稱(chēng)“紫外線(xiàn)”。紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)不能引起視覺(jué)，但可以用光學(xué)儀器或攝影方法去量度和探測(cè)這種發(fā)光物體的存在。所以在光學(xué)中光的概念也可以延伸到紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)領(lǐng)域，甚至X射線(xiàn)均被認(rèn)為是光，而可見(jiàn)光的光譜只是電磁光譜中的一部分。
人眼對(duì)各種波長(zhǎng)的可見(jiàn)光具有不同的敏感性。實(shí)驗(yàn)證明，正常人眼對(duì)于波長(zhǎng)為555納米的黃綠色光最敏感，也就是這種波長(zhǎng)的輻射能引起人眼最大的視覺(jué)，而越偏離555nm的輻射，可見(jiàn)度越小。
4 光的傳播
當(dāng)一束光投射到物體上時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、折射、干涉以及衍射等現(xiàn)象。
光線(xiàn)在均勻同種介質(zhì)中沿直線(xiàn)傳播。
光遇到水面、玻璃以及其他許多物體的表面都會(huì)發(fā)生反射。例：垂直于鏡面的直線(xiàn)叫做法線(xiàn)；入射光線(xiàn)與法線(xiàn)的夾角叫做入射角；反射光線(xiàn)與法線(xiàn)的夾角叫做反射角。在反射現(xiàn)象中，反射光線(xiàn)、入射光線(xiàn)和法線(xiàn)都在同一個(gè)平面內(nèi)；反射光線(xiàn)、入射光線(xiàn)分居法線(xiàn)兩側(cè)；反射角等于入射角。這就是光的反射定律。如果讓光逆著反射光線(xiàn)的方向射到鏡面，那么，它被反射后就會(huì)逆著原來(lái)的入射光的方向射出。這表明，在反射現(xiàn)象中，光路是可逆的。凹凸不平的表面（如白紙）會(huì)把光線(xiàn)想著四面八方反射，這種反射叫做漫反射。
光線(xiàn)從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生偏折，這種現(xiàn)象叫做光的折射。如果射入的介質(zhì)密度大于原本光線(xiàn)所在介質(zhì)密度，則折射角小于入射角。反之，若小于，則折射角大于入射角。若入射角為0，折射角為零，屬于反射的一部分。但光折射還在同種不均勻介質(zhì)中產(chǎn)生，理論上可以從一個(gè)方向射入不產(chǎn)生折射，但因?yàn)榉植磺褰缇€(xiàn)且一般分好幾個(gè)層次又不是平面，故無(wú)論如何看都會(huì)產(chǎn)生折射。如從在岸上看平靜的湖水的底部屬于第一種折射，但看見(jiàn)海市蜃樓屬于第二種折射。凸透鏡凹透鏡這兩種常見(jiàn)鏡片所產(chǎn)生效果就是因?yàn)榈谝环N折射。
5 光的色散
復(fù)色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象叫做光的色散。色散可以利用棱鏡、光柵、干涉儀等儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)。牛頓在1666年最先利用三棱鏡觀察到光的色散,把白光分解為彩色光帶(光譜).色散現(xiàn)象說(shuō)明光在媒質(zhì)中的速度(或折射率n=c/v)隨光的頻率而變.任何介質(zhì)的色散均可分正常色散和反常色散兩種。
白光是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等各種色光組成的叫做復(fù)色光。紅、橙、黃、綠等色光叫做單色光。讓一束白光射到玻璃棱鏡上，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)棱鏡折射以后就在另一側(cè)面的白紙屏上形成一條彩色的光帶，其顏色的排列是靠近棱鏡頂角端是紅色，靠近底邊的一端是紫色，中間依次是橙黃綠藍(lán)靛，這樣的光帶叫光譜。光譜中每一種色光不能再分解出其他色光，稱(chēng)它為單色光。由單色光混合而成的光叫復(fù)色光。自然界中的太陽(yáng)光、白熾電燈和日光燈發(fā)出的光都是復(fù)色光。
6 反射與色彩
在光照到物體上時(shí)，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收。透過(guò)的光決定透明物體的顏色，反射的光決定不透明物體的顏色。不同物體，對(duì)不同顏色的反射、吸收和透過(guò)的情況不同，因此呈現(xiàn)不同的色彩。比如一個(gè)黃色的光照在一個(gè)藍(lán)色的物體上，那個(gè)物體顯示的是黑色，因?yàn)樗{(lán)色的物體只能反射藍(lán)色的光，而不能反射黃色的光，所以把黃色光吸收了，就只能看到黑色了。但如果是白色的話(huà)，就反射所有的色。
7 光的實(shí)質(zhì)
光到底是什么？是一個(gè)值得研究，和必需研究的問(wèn)題。當(dāng)今物理學(xué)院就已經(jīng)又達(dá)到了一個(gè)瓶頸，即相對(duì)論與量子論的沖突，光的本質(zhì)是基本微粒還是像聲音一樣的波（若是波又在什么介質(zhì)中傳播）對(duì)未來(lái)研究具有指導(dǎo)性作用。
目前比較合理的觀點(diǎn)是光既是一種粒子同時(shí)又是一種波，具有波粒二象性，就像水滴和水波的關(guān)系。
