基础光学 第一周 光学历史回顾

       古希腊的德谟克利特是原子论的创始人，他认为世界万物都是由原子组成，原子是最小的不可分割体。物体的颜色来源于原子的不平整，同时他认为视觉来源于原子的影像进入眼睛。亚里士多德认为眼睛与物体之间存在着传输影像的介质，叫做以太。以太需日光才起作用，否则会变成不透明。虽然他们的论述看起来很奇怪的，但却是在那个没有什么工具的年代对于世间万物法则的一种解释。虽无证据证明，但纯粹从逻辑上来说漏洞也许基本没有。作为几何之父的欧几里得认为，光线呈直线前进，通过实验也发现，入射角等于反射角。他认为是光线从眼睛发射到物体才引起了视觉。中国的墨经也曾对视觉的产生有过论述，比如“目以火见”，指的是眼睛因为光线的存在才能看见。
       中世纪，阿拉伯建立了横跨欧亚非的大帝国，平稳地生活促进了科学的发展，此时的代表是海什木，他建立了几何光学，因此被尊称为光学之父。他修正了欧几里得的说法，说视觉源于光线从物体反射到眼睛而不是反过来。此时的欧洲乃是黑暗时期，光学上的发展以培根为代表，他强调实验对于自然科学的重要性，同时解释了放大镜和眼镜的折射原理。
       文艺复兴时期，首要代表是开普勒，他著名的行星三大运动定律，解释望远镜的机制，解释视觉如何产生，同时配合着解剖分别说明了瞳孔，角膜和视网膜的作用。也正是因为有了对眼睛的正确认识，在眼镜发明了三个世纪以后终于成功了解释了眼镜是如何帮助人们看到东西的。笛卡尔，哲学上那句“我思故我在”常被误解为唯心理论的论断。另外，他建立了现在常用的垂直坐标系，所以也被称为笛卡尔坐标系。由于坐标系的创立，他也是解析几何之父。对于光学，他发表了折射定律，用数学语言解释了入射角和折射角之间的关系。同时，他认为光是一种粒子，以太是传递光的介质，且光的颜色来自以太粒子的自转速度。
17世纪，对于光的本质是什么的争论非常巨大。首先出场的是惠更斯，他认为光是一种波动，他的波动论能很好的解释光的折射反射的成因。同时，他依旧认为光的传递需要以太，以太是有微小的弹性粒子组成，且每一个以太都可以看做是一个微小的新的点波源，也就是说，每一个以太被光波打中之后都会重新发出光波来。另一个人就是牛顿了，他认为是光是一种粒子，具有引力并遵循着他发现的运动定律以及所有的古典的运动定律。另外，他用三棱镜把白光分成了七种颜色，于是他认为是七种不同的颜色的粒子混在一起形成了白色光，这样，他的粒子说就完美的解释了光的三棱镜分光现象。另外还发明了反射式望远镜。
       到了18、19世纪，托马斯杨的双缝干涉试验是证明光具有波动性的最重要的实验之一，由此推翻了牛顿的光的粒子说，同时该实验也被《物理世界》评选为十大经典科学实验之一。另一个代表人物是菲涅尔，他证明了光有绕射（衍射）现象。这个现象只能用光的波动性来解释。接下来就是麦斯威尔的电磁波理论，他比较了光速和电磁波的速度，认为光应该也是一种电磁波。于是他统合了光电磁三种看起来无关的现象。也通过他的理论预测了无线电波的存在。接下来，赫兹实验证实了一个在天线中自由运动的电磁振荡可以发射电磁波。
       20世纪，首先是普朗克，他为了解释黑体辐射，提出了能量、光是不连续的量子的理论。他开启了整个量子物理的领域。爱因斯坦，除了提出相对统一的时间空间，以及质能转换公式外，为了解释光电效应而提出光是一种粒子。后来，密立根，以实验证实了爱因斯坦对于光电效应的解释，有趣的是，他之所以做实验是因为不相信爱因斯坦关于光电效应的解释，用了十年时间设计了诸多十分精密的试验最终却证实了爱因斯坦是对的。最后，德布罗意用量子理论诠释了光的波粒二象性。