緒論

光是一種我們再熟悉不過的自然現象。地球上的一切生命賴以存在的先決條件就是太陽源源不斷地將能量以光的形式輸送到地球上，再通過植物的光合作用，形成生物質，支撐著龐大生物鏈的運行。因此光與人類生活密切相關，而人對光的特別關注也就不足為奇了。人類認識光和使用光的歷史早到無以考證。在中國古代傳說中，就有燧人氏鉆木取火的故事，其實這就是將機械能轉換成熱能，最后獲得光能的過程。到了周代，人們又發明了陽隧取火，即利用凹面鏡對著太陽聚焦取火。實際上早在四千多年前，人類制造的各種青銅器中就包括反射鏡。我國出土的殷商以前距今約3600年的齊家文化時期的近50件青銅器中就發現有2枚銅鏡。

盡管光與水、土等物質一樣司空見慣，存在于我們周圍，但光究竟是什么？數千年來卻一直像謎一樣困擾著人們。光似乎被層層面紗包裹著，雖然我們能看得著，可是卻看不清。歷史上有很多天才都試圖揭開這個謎團。我國的先賢們在這方面也曾做過杰出的貢獻。公元前4世紀，墨翟（公元前478？—公元前392？）對包括光在內的很多自然現象作了觀察研究，并著有《墨經》一書，書中有八條關于光學現象的記載，分別敘述了影的定義和生成，光的直線傳播特性和針孔成像，并且以嚴謹的文字討論了有關平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡成像中物和像的關系。這是世界上最早的、有文字記錄的光學知識。公元前3世紀，希臘數學家歐幾里得（Euclid，約前330—前275）在所著的《光學》一書中，討論了平面鏡成像問題，提出了反射角等于入射角的反射定律。此后，人們陸續認識到光的直線傳播、光的反射和折射規律，這些規律都可以將光視為一種粒子來解釋。牛頓（I. Newton，1642—1727）就是這種學說的代表人物。但光具有獨立傳播性質，就是兩束光相遇后互不干擾地獨立傳播。這一點，粒子說無法解釋，兩束粒子流在空間相遇，不發生碰撞，各走各的路，如此“謙讓”的粒子令人不解。

隨著時代的進步，籠罩在光外面的神秘面紗被陸續揭開。1660年，意大利教授格里馬第（Francesco Maria Grimaldi，1618—1663）發現光的衍射現象。1672—1675年間，胡克（B.Hooke，1635—1703）也觀察到衍射現象。他還和波義耳（R.Boyle，1627—1691）獨立地研究了薄膜所產生的彩色干涉條紋。1801年，楊（T. Young，1773—1829）用干涉法測出光波波長，提出光波干涉原理。這樣光具有衍射、干涉效應已成為無可爭辯的事實，并與光的粒子說格格不入。因此光的波動說便應運而生，最初的代表人物是荷蘭物理學家惠更斯（C. Huygens，1629—1695），他在1690年出版的著作《論光》中，提出了后來以他的名字命名的惠更斯原理，解釋了光的直線傳播、反射、折射和雙折射等現象。1818年菲涅耳（A. J. Fresnel，1788—1837）運用惠更斯作圖方法，結合干涉原理解釋了衍射現象。他將惠更斯原理發展為更完善、更具體、更普遍地處理各類衍射問題的原理。但光的波動說也并非無懈可擊。例如，牛頓曾反駁波動說的觀點說，如果光是波的話，那么就不會有陰影，因為波可以繞過障礙物。另外，既然光是波，就應該有傳播光的介質，就像水波的介質是水，聲波的介質是空氣，那么傳播光的介質是什么？為此，波動說的支持者不得不假設光是在一種所謂的“以太”這種假想的介質中傳播。根據光可以在真空中傳播的事實，“以太”必然充滿整個空間，而且極為稀薄。由聲波的經驗可知，如果光是在稀薄的“以太”中傳播的話，只能是縱波。然而，1808年馬呂斯（E. J. Malus，1775—1812）觀察到了光的偏振現象。1811年，布儒斯特（D. Brewster，1781—1868）發現偏振光的布儒斯特定律。光具有偏振性充分表明光不是縱波，而是橫波。據此推測“以太”不僅稀薄，而且非常有剛性，否則不能支持橫波的傳播。“以太”的這種古怪的性質，頗令人費解。不過，尋找“以太”卻成為很多科學家終生孜孜以求的目標。

除了光的干涉、衍射和偏振很難用粒子理論圓滿地解釋外，還有一個判決性的實驗，就是對光在介質中的速度變化的預言。很早就知道，光從空氣進入水中的折射角小于入射角。牛頓對這一現象的解釋是:當光的粒子通過空氣和水的界面時，將受到垂直于界面并向著水內部的加速力。光進入水中后，垂直于界面的速度增大，折射角小于入射角。按照這種理論，水中的光速應大于空氣中的光速。但1862年，法國物理學家傅科（Jean Bernard Lèon，Foucault，1819—1868）對光速的測量結果表明，水中的光速比空氣中的光速小。用惠更斯原理能圓滿地解釋這一結果。這對光的粒子理論是一個重大的打擊。

正在光是波還是粒子的辯論難解難分的時候，物理學的其他領域并沒有停止前進的腳步，甚至可以說是在飛速發展。1875年，法國物理學家庫侖（C. A. Coulomb，1736-1806）用自己發明的扭秤研究了電荷之間的相互作用力，得到了靜電力的平方反比規律。1820年是電磁學的豐收年，在這一年，奧斯特（H. C. Oersted，1771-1851）發現導線通電產生磁效應;同年，畢奧（J.B.Biot，1774—1862）和薩伐爾（F.Savart，1791—1841）由實驗歸納出電流元產生磁場的定律;也是在這一年，安培（A. M. Ampère，1775—1836）從實驗中發現了電流之間的相互作用力。1822年，安培進一步研究了電流之間的相互作用規律，提出了安培作用力定律。1831年，法拉第（M. Faraday，1791—1867）發現了電磁感應現象。1834年，楞次（H. F. E. Lenz，1704—1865）建立了楞次定則。

英國物理學家麥克斯韋（J. C. Maxwell，1831—1879）系統地總結了電磁學的諸實驗規律，并引進了位移電流和渦旋電場的概念。1864年，麥克斯韋提出電磁場的基本方程組，即麥克斯韋方程組，標志著電磁場理論的建立。從這組方程式出發，理論上推斷了電磁波的存在，而且得到的電磁波速率和當時測量到的光速極為相近，因此大膽預言光是一種電磁波，為光的電磁波理論奠定了基礎。光的電磁波理論能解釋大多數光的現象和特性。1887年，赫茲（H. Hertz，1857—1894）成功地實施電磁波實驗，證實了麥克斯韋的電磁場理論。至此，光的波動說取得了壓倒性勝利。看來光的波動學支持者可以為此歡呼雀躍了。但是，且慢，就在奠定光的波動性質幾乎不可動搖的地位的時候，偏偏動搖光的波動性的實驗接二連三地出現了。也在1887年，還是赫茲發現了光電效應。光在這種場合下的特性是用波動說萬萬解釋不通的，于是光的又一層面紗被揭開了。此后，黑體輻射的實驗結果、康普頓效應、光電效應，以及邁克耳遜的測量光速實驗等就像是朵朵烏云在物理學的天空飄蕩。光就像是一只墨魚，當人們就要捕捉到它的時候，它偏偏放出一團“煙幕”，在人們眼下溜走，永遠不讓你看個究竟。然而，塞翁失馬，焉知非福。光的各種新效應的發現，由于不能在經典物理的框架下解決，迫使人們不得不忍痛割愛，放棄幾乎完美的經典物理框架，尋找新的物理機理，從而導致了近代物理的兩大支柱量子力學和相對論的建立。

現在人們了解到光有兩張面孔，即具有波粒二象性，時而表現出粒子性，時而又表現出波動性。一般地，光在傳播過程中表現出波動性，可以由經典的麥克斯韋電磁理論完全描繪。在宏觀尺度下，即通常光的波長可以忽略的多數場合，光的波動性質很難察覺，從而光表現出經典意義上的粒子性。但當光與物質相互作用時，伴隨能量、動量、角動量的交換，在這種情況下，麥克斯韋的波動理論無能為力，要確切理解這種作用過程，非得借助于量子理論不可。此外，當光在高速運動介質中或強引力場中傳播時，必須考慮到相對論效應才能得到正確的結果。

總之，光是什么？這是個復雜的問題。從古到今，人們還沒有完全弄清光的本性。本書總結了近代關于光的種種理論和概念，試圖能對光的波動性以及波粒二象性作一個比較系統、全面的介紹。介紹的框架如圖0-1所示，出發點就是光的電磁波理論。圖0-2所示為各種波段電磁波的波長和能量的大致范圍，以及相應的發射源、探測器和作用對象。

圖0-1 近代光學知識結構圖

圖0-2 電磁波的波譜

詩人顧城曾寫下著名的詩句:“黑夜給了我黑色的眼睛，我卻用它來尋找光明!”。這首詩十分有張力，看過后讓人印象極深。我們進一步要說:“光為我們帶來了光明，我們要用智慧去探尋光的本性。”