1.7 光的傳播定律與相對性原理的表面抵觸

真空中光的傳播定律是物理學中最簡單的定律，每一學齡兒童都知道，或者我相信他們都能了解，光在真空中沿直線以速度c=300000千米／秒傳播。這個速度在所有各色光線中都一樣。因為如果不是這樣，則當一顆固定的星體為其鄰近的黑暗鄰居所遮蔽時，其各色光線的最小發射值就不會同時被觀測到。荷蘭天文學家德西特通過對雙星的觀察，也以相似的理由指出，光的傳播速度并不依賴發光物體的運動速度。而這一假定，即關于光的傳播速度與其“在空間中”的傳播方向有關，就其本身而言也是不可能成立的。

簡而言之，我們可以假定關于光在真空中的速度c是恒定的，這一簡單的定律已為學齡兒童所確信。但誰會想到這個簡單的定律竟會使邏輯思維周密的物理學家遇到極大的困難呢？現在，讓我們來看看這些困難產生的原因。

當然，涉及光的傳播過程（對于所有其他的過程而言確實也都應如此），我們必須參照一個剛體（坐標系）來描述。我們再次選取路基作為參考系，不過路基的空氣我們假設已經被抽空。如果一道光線沿著路基發出，根據上面的論述，光線的前端相對于路基是以速度c傳播的。如果車廂仍然以速度v在路軌上行駛，其前行的方向與光線傳播的方向相同，不過速度要比光速小得多。這條光線相對于車廂的傳播速度即是我們需要研究的問題。前一節的推論顯然在這里可以適用，因為光線在這里便是相對于車廂走動的人。人相對于路基的速度w由光相對于路基的速度代替，w是所求的光相對于車廂的速度，于是得到：w=c－v。

于是光線相對于車廂的傳播速度就出現了小于的情況。

但是該結果與本章第五節的相對性原理有抵觸。因為就像所有其他普遍的自然界定律一樣，真空中光的傳播定律，不論作為參考物體的車廂還是路軌，都必須是一樣的。但從前面的論述來看，這一點似乎不可成立。如果速度c是所有的光線相對于路基的速度，那么由于這個理由，相對于車廂傳播的光就必然服從另一定律。這個結果與相對性原理是抵觸的。

此抵觸，我們似乎除了放棄相對性原理或真空中光的傳播的簡單定律外，別無他法。但保留相對性原理是仔細閱讀以上論述的讀者幾乎一致的意見。這是因為相對性原理的自然與簡單給予了人們很大的說服力，因而真空中光的傳播定律就必須由一個能與相對性原理一致的比較復雜的定律所取代。然而，理論物理學的發展使我們不必繼續此進程。經典電子論的創立者、具有劃時代意義的H.A.洛倫茲對于與運動物體相關的電動力學和光學現象的理論研究表明，他在這個領域中無可爭辯的經驗產生出關于電磁現象的一個理論，而該理論必然能夠推導出真空中光速恒定定律理論。因此，盡管沒有任何實驗數據表明有與相對性原理相抵觸之處，但許多著名的理論物理學家對相對性原理還是比較傾向于舍棄的觀點。

相對論就是在這個關頭出現的。由于其對時間和空間物理概念的分析，相對性原理就與光的傳播定律沒有絲毫抵觸之處了。如果我們系統地貫徹這兩個定律，就能得到一個邏輯嚴謹的理論，借以區別于推廣了理論的狹義相對論，而對于廣義理論，我們將留待以后的時間再去討論。下面我們敘述的是狹義相對論的基本觀念。

相關問題　光學

光學是物理學的一個部門。光學的任務是研究光的本性，光的輻射、傳播和接收的規律，光和其他物質的相互作用（如物質對光的吸收、散射、光的機械作用和光的熱、電、化學、生理效應等）以及光學在科學技術等方面的應用。

光學的歷史　光學的歷史可以追溯到兩三千年前。中國先秦思想家墨子在《墨經》中記載了許多光學現象和成像規律，比如投影、小孔成像、平面鏡、凸面鏡、凹面鏡等等。西方的光學記載也較早，歐幾里得在《反射光學》中研究了光的反射，阿拉伯學者阿勒·哈增也在《光學全書》中討論了許多光學現象。

光學真正形成一門學科，是在反射定律和折射定律建立之后。這兩個定律奠定了幾何光學的基礎。

牛頓的微粒說　對于光的本質，經典物理學的奠基者牛頓主張微粒說。他根據光的直線傳播性質，提出光是微粒流的理論。他認為，這些微粒從光源飛出來，在真空或均勻物質內由于慣性而做勻速直線運動；認為光線可能是由球形的物體所組成，并用這種觀點解釋了光的直線傳播和光的反射、折射定律。“牛頓環”現象是牛頓的一項重要發現。當他把一個平凸透鏡放在一個雙凸透鏡上時，觀察到一系列明暗相間的同心環。牛頓用他的微粒說解釋了牛頓環現象。

惠更斯的波動說　大約與牛頓在英國強調微粒說同時，荷蘭物理學家惠更斯在歐洲大陸發展了“波動說”。惠更斯于1678年向法國科學院提交了《光論》這本著作，以批駁牛頓的微粒說，同時提出了他的波動說。他認為，光是由發光體的微小粒子的振動在充滿于宇宙空間的媒質“以太”中的一種傳播過程，光的傳播方式與聲音的傳播方式一樣。惠更斯認為，光是一種波，以非常大但又是以有限的速度在以太中傳播。惠更斯由此斷言，新的波前在被光所觸及的每個顆粒周圍產生，并以半球形式散布開來；產生于單一的點的單一波前是無限微弱的，不產生光，但無限多的這種波前重疊的地方就產生了光。這就是惠更斯原理。

兩種學說都可從理論中導出光的反射和折射定律，但說法不一。牛頓說，當光從一種介質進入另一種密度較大的介質時，例如光從空氣進入水中，由于光的微粒受到引力的作用，光速會加快。惠更斯則從波的性質考慮，認為光速會減緩。由于牛頓在學術界的巨大聲望，波動說在當時不受重視。

隨著光學研究的深入，人們逐漸發現許多不能用直進性解釋的現象，例如干涉、衍射等，用光的波動性就很容易解釋。1801年，英國學者楊格（1773—1829年）做了一個著名的光學實驗。他首先將單色光通過一條狹縫，再照射到兩條非常靠近的狹縫，結果射出后的光并不沿直線前進，而是散開，在稍遠處的光屏上形成亮暗相間的條紋。這是“波”特有的性質，即“干涉現象”。楊格實驗顯示光具有波動性質，牛頓的粒子說開始動搖。

1850年，兩位法國人菲左（1819—1896年）和佛科（1819—1868年），分別通過獨立的實驗精確地測出光速，發現光在水中的速率比在空氣中慢。牛頓“粒子說”的預測被推翻。惠更斯的“波動說”得到實驗的支持，獲得空前勝利，轉居上風。“粒子說”幾乎全盤被否定。

1859年，德國人克希荷夫（1824—1887年）和本生（1811—1899年）發現，每一種化學元素在氣體狀態時，都有其特定的明線光譜結構。因此光譜可用于精密分析物質的組成成分。由太陽光譜的暗線位置，可判知太陽大氣層含有哪些元素。可是他倆并沒有追究到原子內部結構和光譜線之間的關系。

20世紀初，科學家又發現光線在投到某些金屬表面時，會使金屬表面釋放電子，這種現象被稱為“光電效應”。同時發現，光電子的發射率，與照射到金屬表面的光線強度成正比。但是如果用不同波長的光照射金屬表面時，照射光的波長增加到一定限度時，即使照射光的強度再強也無法從金屬表面釋放出電子。這是無法用波動說解釋的，因為根據波動說，在光波的照射下，金屬中的電子隨著光波而振蕩，電子振蕩的振幅也隨著光波振幅的增強而加大，或者說振蕩電子的能量與光波的振幅成正比。光越強振幅也越大，只要有足夠強的光，就可以使電子的振幅加大到足以擺脫金屬原子的束縛而釋放出來，因此光電子的釋放不應與光的波長有關。但實驗結果卻違反這種波動說的解釋。

愛因斯坦通過光電效應建立了他的光子學說。他認為，光波的能量應該是“量子化”的。輻射能量是由許許多多分立能量元組成，這種能量元稱之為“光子”。光子的能量決定于方程

E=hv

式中：E=光子的能量，單位為焦耳；h=6.624×10-34焦·秒，為普朗克常數；v為每秒振動數，即頻率。

v=c/λ

式中，c為光線的速度，λ為光的波長。

現代的觀念認為，光具有微粒與波動的雙重性格，這就是“量子力學”的基礎。在研究和應用光的知識時，常把它分為“幾何光學”和“物理光學”兩部分。適應不同的研究對象和實際需要，還建立了不同的分支，如光譜學、發光學、光度學、分子光學、晶體光學、大氣光學、生理光學和主要研究光學儀器設計和光學技術的應用光學等等。

相關問題　光的傳播定律

光的傳播定律有三個：光的直線傳播定律、反射定律、折射定律。

光的直線傳播定律

光在均勻媒質中是沿著直線傳播的。因此，在點光源（其線度和它到物體的距離相比很小的光源）的照明下，物體的輪廓和它的影子之間的關系，相當于用直線所作的幾何投影。光的直線傳播定律是人們從實踐中總結出來的。而直線這一概念本身，顯然也是由光學的觀察而產生的。作為兩點間的最短距離是直線這一幾何概念，也就是光在均勻媒質中沿著它傳播的那條線的概念。所以自古以來，在實驗上檢查產品的平直程度，均以視線為準。但是，光的直線傳播定律并不是在任何情況下都是適用的。如果我們使光通過很小的小孔，則光的傳播將不再遵循直線傳播定律。如果孔的直徑在1/100毫米左右，我們只能看到一個模糊的小孔的像。孔越小，像越模糊。如果孔小于1/2 000毫米時，我們就看不見小孔所成的像了。這是光的波動性造成的。

光的反射定律

光遇到物體或遇到不同介質的交界面（如從空氣射入水面）時，光的一部分或全部被表面反射回去，這種現象叫做光的反射。由于反射面的平坦程度，有單向反射及漫反射之分。人能夠看到物體正是由于物體能把光“反射”到人的眼睛里，沒有光照明物體，人也就無法看到它。

在光的反射過程中所遵守的規律：①入射光線、反射光線與法線（通過入射點且垂直于入射面的線）同在一平面內，且入射光線和反射光線在法線的兩側；②反射角等于入射角（反射角是法線與反射線的夾角，入射角是入射線與法線的夾角）。在同一條件下，如果光沿原來的反射線的逆方向射到界面上，這時的反射線一定沿原來的入射線的反方向射出。這一點謂之為“光的可逆性”。

漫反射　當一束平行的入射光線射到粗糙的表面時，因面上凹凸不平，所以入射線雖然互相平行，由于各點的法線方向不一致，造成反射光線向不同的方向無規則地反射，這種反射稱之為“漫反射”或“漫射”。這種反射的光稱為漫射光。很多物體，如植物、墻壁、衣服等，其表面粗看起來似乎是平滑的，但用放大鏡仔細觀察，就會看到其表面是凹凸不平的，所以本來是平行的太陽光被這些表面反射后，彌漫地射向不同方向。

反射率　又稱“反射本領”。是反射光與入射光強度的比值。不同材料的表面反射率不同，其數值多以百分數表示。同一材料對不同波長的光可有不同的反射率，這個現象稱為“選擇反射”。所以，凡列舉一材料的反射率均應注明其波長。例如玻璃在可見光的反射率約為4%，鍺對波長為4微米紅外光的反射率為36%，鋁從紫外光到紅外光的反射率均可達90%左右，金的選擇性很強，在綠光附近的反射率為50%，而在紅外光的反射率可達96%以上。此外，反射率還與反射材料周圍的介質及光的入射角有關。上面談及的均是指光在各材料與空氣分界面上的反射率，并限于正入射的情況。

光的折射定律

凡光線在通過疏密不同的介質交界面時改變方向的現象，稱為光的折射。

光的折射定律，是指在光的折射過程中，確定折射光線方向的定律。它由荷蘭科學家斯涅耳（1591—1626年）在1618年首先發現，故稱“斯涅耳定律”。一般來說，光從一種媒質射到另一種媒質平滑界面（反射面）時，一部分將被界面所反射，另一部分將進入界面而在另一媒質中發生折射。折射定律指出：①折射（光）線位于入射（光）線和法線所決定的平面內，折射線和入射線分別位于法線的兩側；②入射角的正弦和折射角的正弦的比值，對于一定的兩種媒質來說是一個常數，這常數稱為“第二媒質對第一媒質的相對折射率”，并等于第一媒質中的光速與第二媒質中的光速之比值。任一媒質對真空（作為第一媒質）的折射率稱為這媒質的“絕對折射率”，簡稱“折射率”。是幾何光學基本定律之一。

光線由稀的介質入射到密的介質時，折射線常向法線偏向，故折射角常比入射角小；若由密的介質透入稀的介質時，折射線常遠離法線，折射角常比入射角大。當光線通過介質的密度在不斷變化時，光線前進的方向也隨之改變，因此我們隔著火盆上的熱空氣看對面的東西時，會覺得那東西不停地在閃動。這是由于火盆上面的空氣因受熱很快地上升，這部分空氣的密度便和周圍空氣的密度不同，而且熱度還不斷在變化，當由物體射來的光線通過這樣的空氣，其折射光線的路徑不斷發生變化，就會使物體變成了閃動的形狀。

在炎夏中午時分，設若躺在地上來看樹木、房屋和人物，它們的輪廓好像是透過一層流動的水一樣，而且動搖不定。這是因為那時十分炎熱，地面的輻射熱很多，溫度高，接近地面的空氣受熱，密度變小，因而上升，成為向上流動的氣流，由物體射來的光線通過這種變動著的氣流折射光線的路徑就不斷改變，因此所看到的物體都動搖不定。我們在夜里看到天空中恒星的閃動，也是這個道理。大氣里經常存在著密度不同的氣流和旋渦，當恒星的光線通過這種氣流時，就會使它原來折射的路徑發生變化，一會兒到左，一會兒到右。恒星是不會閃動的，都是這折射光造成的。