两种类型的光学

两种类型的光学

光学研究光的产生与传播、光的变化，以及与光相联系的其他一些现象。光学包括两个颇有特色的分支，即几何光学与物理光学。

几何光学

几何光学是不探讨光的本质，而只讨论它的光学成像与传播等性质的光学分支。

我们先来看看光学成像。我们在白天一张开眼睛就能看到光，其实这时候看到的并不是“光”，而是物体，例如一棵枯树、一位美人或者一只加菲猫，然而我们看到的也并不真是物体，而是物体的光学成像。也就是说，是物体在光的帮助之下，与光结合在一起，形成自己的光学影像，而我们人的眼睛能够感觉这个光学影像，这就是我们能看到暴露于光底下的物体的原因。

对于几何光学而言，它另一个主要的内容是光的传播。我们知道，光线是能够传播的，它能够在各种各样“透明”对象里传播，例如空气、水、玻璃等，这时候就有三个定律，这也就是几何光学的三大定律：

第一个定律是光的直线传播定律：光在均匀的介质里沿直线传播。均匀的介质我们可以近似地看做是同一种介质，例如水和空气。在这同一种介质里传播时光的路线是直线。

从电影放映机里放射出来的耀眼的光芒。

第二个是反射定律。即反射时光的入射线、反射线和法线在同一平面内，入射角等于反射角。见图A，IO是入射线，RO是反射线，NO就是法线了。

第三个定律是折射定律。光通过不同介质的界面时要产生折射，其入射线、折射线与法线在同一平面内。见图B，IO是入射线，OT则是折射线。

这些定律我们在中学物理中都学过了，几何光学的内容复杂得很，远不止我们在这里所说的这些内容。有的内容简直令人拍案叫绝，例如我们都听说过的全息图像，它也是一种光学成像。不过是一种全新的成像技术，它于1948年由一个叫伽柏的人提出。

与传统的需要透镜的成像技术不同，这是一种两步无透镜成像技术，又称为波阵面重建，即全息技术。所谓“全息”，我们可以看做是“全部信息”或者“全方位信息”的简称，即这种成像技术能够囊括对象的全部或者全方位的信息。比起传统的成像技术来，它的确如此，因为它所成的图像是立体的，假如图像拍的是一个人，那么我们看这个图像就会像看一个真实的人一样，可以从各个方面仔细地看，不但能看清楚他的脸，还能够看清楚他的后脑勺，从而得到对象全方位的信息。

要得到全息图像，要分两步走：第一步是将一束参考光波与物体的衍射光波相互作用，再记录下含有衍射光波的振幅和相位信息的图样，这也就是说，它们精确地全方位地记录了对象的各种视觉信息。第二步是在另一个地方再用与原来相同的参考光波去照射那个全息图，这时就能看到恍若原物的全息图了。这是一种立体的、极为精确的图像，虽然现在技术还不是很完善，但已经令人惊叹了。您可能看到过这种神奇的图样，例如在《星球大战》系列电影里，从机器人阿图身体里吐出来的美丽的莉阿公主立体图像就是一种全息图。

物理光学

物理光学讲的是光的各种特征，或者说什么是光。光最基本的属性是波粒二象性。关于光的本质曾有过一场物理学史上著名的大争论，争论的焦点是光到底是波还是粒子，也即光的波粒二象性之争。

幽灵幻象
照在一个藏起来的演员身上的光从镜子上反射到一块斜置的玻璃上，然后再射到舞台上。如果舞台上一片黑暗，观众就发现不了这块玻璃。他们所能看到的只是一个时隐时现的幽灵。

最开始的时候，人们凭直觉认为光是一些从人的眼睛里射出的小触须，就像章鱼的触须一样，让我们看到万事万物。这种说法太过脆弱，稍有思想的人一想就能看出它的荒谬。例如为什么在黑暗中我们的眼睛就不能发出这样的触须了呢？于是又有人设想光是由物体发出的一些高速前进的微小颗粒，当它们进入人的眼睛时就能使我们看见它们。之所以在黑暗中我们眼睛看不见东西，是因为这些物体并不是所有的时候都会发射出这种小颗粒呢。

这种观点比前面的小触须观点当然要合理一些，它可以算是一种原始的微粒说，它一直流传了好久，直到17世纪。这时，一个了不起的物理学家、荷兰的惠更斯提出了一种新的学说，即光的波动说。他在其出版的《光论》一书中鲜明地提出光是以波的形式传播的，他说：“像声音一样，光一定是以球面波的形式传播的。”

波动说能够解释一些光的粒子说不好解释的问题，例如几束光线在彼此交叉后会好像没有受到任何影响一样继续各自前进，要是粒子的话，它们为什么不互相碰撞，使前进路线产生变化呢？就像两颗石子在空中相撞一样？这个疑问确乎让粒子说为难，但波动说却能很容易地解释之。因为两束波在相遇后能够彼此毫无阻碍地继续前进，好像没有发生碰撞一样。这种现象我们随时可以在水面上看到，同时扔下两颗石子就可以了。

惠更斯的理论提出来后，有人支持，也有人反对，反对者很快占了上风，因为他们那边有一个很重要的人物，那就是比惠更斯小13岁的牛顿。

牛顿认为光是一种微粒。并且用他的理论很容易地解释了一些波动说不能解释的现象。例如影子，根据粒子说，光是一些微粒，它们是直线传播的，因此，当射到不透明的物体上后，会被反射或吸收掉，而物体周围的光线则继续前进，这样就必然会在身后留下物体的影子，而且这个影子就是物体的轮廓。倘若根据波动说，波遇到阻碍后是会绕过阻碍物继续按原样传播的。例如在池子里竖一根棍子，一列水波绕过它后，会立即在棍子后面形成新的完整的一列波，可不会留下一条棍子的痕迹呢。

实像变成了放大的虚像，这些可以让人观察细小物体时看得更清楚些。

按理说这两种观点各有所长，然而，由于它是伟大的牛顿提出来的，他可是科学界的教皇呀，于是几乎所有科学家都跟着牛顿“走”了，这也使光的粒子说统治了欧洲科学家们的头脑达百余年之久。再后来，英国物理学家马斯·扬指出光并非粒子，而是一种波，他的主要证据之一是观察到光有干涉现象。

干涉是波的主要性质之一，它指的是当两列或两列以上具有相同频率的波共存时，会形成振幅相互加强或相互减弱的现象，即在波峰与波峰叠加或者波谷与波谷叠加的地方，波的振幅就会加强，而波峰与波谷叠加的地方波的振幅则会减弱，这就是波的干涉。

光也有这种干涉现象吗？正是，现在我们来做一个实验。

我们在桌子上放上三块纸板，最前面的纸板中间有个小孔，它后面的纸板中间有两个小孔，它们之间的距离很小，例如只有0.1毫米，而且与前面纸板上的小孔距离相等。如果光是一种波，那么当它穿过第一个小孔、到达并且穿过后面两个小孔后，由于穿过两个小孔的光来自同一波源，且与第一个小孔的距离一样，所形成的两束光必定是有相同频率的波，这样就必定会产生波的干涉现象——如果光是波的话。

三棱镜折射光

结果怎么样呢？我们会在第三块纸板上看到，投射到这块纸板上的光明显地是一些明暗相间的条纹。这就说明有干涉的存在：那些明的地方就是光波的波峰与波峰叠加或者波谷与波谷叠加的地方，因为波的振幅得到加强，因此明亮；而暗的地方则是波峰与波谷叠加的地方，那里波的振幅减弱，因而变暗。

马斯·扬所做的实验与这个大致一样，它有力地证明了光是一种波，使光再一次由微粒说走向了波动说。

到19世纪中期，光的波动说已经得到了广泛承认，但被视为一种波的光仍有许多问题亟待解决。例如既然光是一种波，大家就认为光这种波就像水波一样要靠一种弹性介质才能传播。后来，一位伟大的物理学家麦克斯韦提出了电磁波理论并且指出光也是一种电磁波。不久，另一个大物理学家赫兹用实验证明了电磁波的存在，并且证明了电磁波与光波一样也有反射、折射、干涉、衍射等性质，甚至通过干涉实验测出了不同频率的电磁波的波长、电磁波的传播速度等。结果与麦克斯韦的各项预言均一致，证明了麦克斯韦的理论。我们现在已经知道，光只是电磁波的一部分，叫可见光，此外还有红外线、紫外线、X射线、无线电波、γ射线等，它们合起来就构成了范围十分广阔的电磁波谱。后来又发现了光电效应，它又证明光是一种粒子。所谓光电效应就是在光的照射下从物体发射出电子的现象叫光电效应，发射出来的电子就叫光电子。

这时候就产生了将两种学说统一起来的想法。这种想法在原来是不可想象的，因为波动说与粒子说被认为是两种互相矛盾的学说。然而，光子却明显地同时具有这两种属性，这简直是强迫人们改变老观念，接受新现实。

我们现在当然接受了光的波粒二象性，您也许想知道，这两种属性到底是怎样在光那里统一起来的呢？现在科学家们已经解决这个问题。这是因为，光虽然是由无数微粒——光子——组成的，但它同时总是一大堆光子一起运动，我们看到的哪怕最小的光柱也由无数光子组成。当这些光子运动时，并非像一条直线一样往前冲，而是排成一定的规律前进，具体地说，是排成波的形式前进。这就使得光既呈现波的特性，又呈现粒子的特性了。

我觉得这其实好理解，就像水波一样，请问，水波是一滴水珠构成的吗？当然不是，它是由无数的小水珠组成的，它们本来是一个个的“粒子”，但由无数这样的水“粒子”结合在一起，就组成“水波”了。

以上就是光的波粒二象性及人类认识之的曲折历程。

凸透镜和凹透镜的工作原理