光学学科的起源和发展史

bomoaa

光学是物理学众多学科中最古老的学科之一。在古代，人们除了认识到光的直线传播、反射定律和不完全的折射定律外，对光学知识再没有什么深入的认识。近代光学史是从十七世纪初开普勒的光学研究开始的，以望远镜和显微镜的发明为转折而发展起来。
+ j+ n4 f' }) @+ H- w4 Y第一节折射定律的确立
　　1609年的望远镜的发明激励开普勒从事光学研究，并为这种仪器提供解释。他在1611年出版的著作《屈光学》中，发表了对折射光学的研究成果。
+ m7 i# P# |$ I' F$ f  W2 w　　开普勒对入射角和相应的折射角做了许多次的测量，想在实验中发现入射角和相应的折射角之间有规律的关系，结果未能成功。但他认识到，对于小于30°的入射角，入射角和相应的折射角成近似固定的比（光线从空气到玻璃时的固定比为3/2）；对于大的入射角，这个近似关系不再成立。这样，开普勒把托勒密对折射规律的研究推进了一步。开普勒还发现，当光线由玻璃向空气中入射时，若入射角超过42°时，会发生全反射现象。
　　利用这个折射的近似规律，开普勒给出了透镜和透镜系统成像的近似理论，对望远镜的工作原理最先作出了正确的解释，并设计出几种新型望远镜。
　　正确的折射定律是由荷兰科学家斯涅耳（W.R.Snell,1591—1626）在1621年发现的，虽然还不是今天大家所熟悉的正弦表示。根据惠更斯的叙述，斯涅耳把折射定律表述如下：在下同的介质里入射角和折射角的余割之比总是保持相同的值。由于余割和正弦成反比，斯涅耳的表述等价于现代的表述。斯涅耳没有公布他的这一发现。
, s  c$ ]! O  ^5 U3 h　　折射定律的现代的表述是笛卡儿1637年在他的《屈光学》一书中给出的，他没有提到斯涅耳，可能是他独立发现的。笛卡儿没有做实验，他是从以下的假定推导出这个定律：[1]光速在较密的介质中较大（现在知道，这是错误的）；[2]在相同的介质里这些速度对于各种入射角都有相同的比率；[3]在折射时，平行于折射面的速度分量保持不变（现在知道，这是错误的）。
+ S0 f+ b8 u% i. {  N/ S$ D　　数学家费玛不同意笛卡儿关于光速在光密介质中较大的假定，并从下述假定推导出光的反射定律和折射定律，即光以最短的时间从一种介质的某一点传播到另一种介质的某一点，而且在较密的介质中光速较小。1744年，莫泊丢从“最小作用原理”出发，假定光速与折射率成比例，也导出了折射定律。综上所述，到17世纪中叶，几何光学的基础已经奠定。
% b1 W) p+ P! S+ v第二节光的微粒说和波动说的提出
' H/ g) M4 o- H" e　　近代微粒说是笛卡儿首先提出的，他认为光是由大量微小的弹性粒子组成的，光的折射和反射是由其粒子所遵循的力学定律所决定的。光的波动说最初是由意大利人格里马耳(F.M.Grimaldi,1618-1663）提出的。在他死后不久（1665年）出版的著作《发光、颜色和虹彩的物理数学》中，他叙述了衍射现象的发现，并提出光是一种作波状运动的流体的猜测。胡克在1665年认为，光是发光体微粒的小振幅的快速振动，这些振动呈一系列球脉冲播散。
　　1672年，牛顿向皇家学会提交了《关于光和色的新理论》的一封信，描述了他早在1666年就开始进行的一系列色散实验。通过实验，他完成了把白光分解为单色光，又由这些单色光组合而成白光的这一完整的科学认识过程。他下结论说：“光本身是一种折射率不同的光线的复合混合物”。他进一步假设：“如果假定光线是发光物质向四面八方发出的微小物体，那么当这些微小物体碰撞任何折射或反射面时，一定象石子抛入水中情形一样，也必然在以太中激发出振动。”并且“按照这些振动的大小和混合情况而产生不同的颜色感觉。”因此，牛顿最初是企图把微粒说和波动说结合起来解释光和色的。在1704年出版的《光学》一书中，他为了解释包括牛顿环在内的薄膜干涉现象，又提出了“阵发（fit）理论，仍企图把微粒说和波动说结合起来解释光的干涉。
　　在1678年提交的论文和1689年出版的著作《光论》中，惠更斯发表了最早、最重要的波动理论。他把光看作是在媒质中传播的波，与声波类似，但光通过的媒质不是空气，而是一种由坚硬的弹性微粒组成的“以太”。以太中的每一受激微粒都变成一个球形子波中心，同时向四面八方传播脉冲；光束在传播过程中相互交叉时互不妨碍。根据这一所谓惠更斯原理，惠更斯成功地解释了光的折射和反射。但对于经过冰洲石双折射后得到的偏振光，惠更斯由于坚持光波象声波一样是纵波的观点，因而无法解释。
. J' ~1 P1 |2 z+ L5 j　　由于惠更斯的波动理论无法解释双折射现象，加之缺乏数学的严密性，牛顿后期越来越倾向微粒说。由于牛顿的权威，也由于波动说本身的缺陷—纵波观点和未考虑波面上各点之间的相互干涉，在微粒说和波动说进行过一番较量后，大部分人接受了牛顿的微粒说而放弃了惠更斯的波动说。18世纪光学处于停滞不前的时期。
4 k8 A9 \3 ~  X) [第三节波动光学的复兴
+ R" T$ j+ ?% l2 d6 |8 ~; [/ ?一.托马斯 杨的干涉原理
- @: d% U, o6 m6 u0 h　　波动说的复兴首先归功于英国医生托马斯 杨（T.Young,1773-1829）。通过对听觉和视觉的研究，他开始转入对声学和光学的研究，放弃了从事多年的医学。
　　1800年，托马斯?杨发表了题为《关于光和声的实验和问题》的论文，对微粒说提出了尖锐的质疑。既然发出光微粒的物体是不同的，那么为什么光微粒都具有相同的速度？为什么光微粒在遇到另一种介质的时候，会有一部分反射而另一部分折射呢？他认为，如果把光看成类似于声音的波动，那么这些问题会得到解决。
3 C) I; h& m* U3 i7 P4 z　　1802年，托马斯?杨发表了著名的论文《光和色的理论》。他认为，整个宇宙中充满了稀薄的、具有很大弹性的以太；光是发光体在以太中激起的波动；光的颜色取决于光波动的频率。受牛顿的潮汐理论里，关于不同通道的水汇合于一处港口时会产生相长或相消叠加的启发，他提出了干涉原理：
“只要同一光线的两部分精确地或非常接近地沿着相同的方向以不同的路线到达我们的眼睛，如果其路程差是某一长度的整数倍，则光会变得最强；而在这些干涉部位中间的状态光会变得最弱。对于不同的颜色的光，这一长度是不同的。”
: A: @' l* C( f# N3 c+ d& X　　为验证自己的理论，托马斯?杨设计了著名了杨氏干涉实验，并第一个用实验方法成功地测得了红光和紫光的波长，它们分别为0.0000256英寸（6500A°）和0.0000174英寸（4420A°）。他还利用牛顿环现象作为自己理论的佐证。1803年，托马斯?杨在《物理光学的实验和计算》一文中，利用干涉原理解释了获得毛发阴影时出现的衍射现象。
　　托马斯?杨首次把光描写成按一定的周期或频率往复变化的波动，明确地引进了波长和光程差的概念，从而建立了第一个真正的光的波动学说。他的理论能够解释干涉现象，这是惠更斯的理论所做不到的。不过，托马斯?杨缺乏解析的数学表示，基本上是一些定性的或对一些特殊情况的描写，难以处理衍射问题。因此，当时的许多物理学家觉得托马斯?杨的论文几乎是空泛的议论，不值得认真对待。
5 q) Q- R  x0 I7 g; B4 ~( y" G二菲涅耳的衍射理论
0 V- [8 n; L0 g3 g% {* c. B: a　　菲涅耳(A.J.Fresnel,1788-1872)生于法国诺曼底。原是一位土木工程师，1815年开始发表光学研究论文，独立地发现了干涉原理。当他得知托马斯?杨早在13年前已作出该发现时，他于1816年在致托马斯?杨的信中写道：
　　“当一个人以为他已经作出了某种发现的时候，如果他得知另外一个人已经在他之前有了这种发现，他不会不感到遗憾......如果说有什么可以使我感到安慰的话，那就是使我有机会认识一位伟大的科学家，他以大量的重要发现而丰富了物理学的宝库。与此同时，所发生的这一切使我对我所研究的理论的正确性更加充满信心。”
　　托马斯?杨在1819年给菲涅耳的回信中写道：我为您送我令人敬羡的论文表示万分感谢，在光学进展最有贡献的许多论文中，您的论文确实有很高的地位。”
* C* D2 M3 V7 |7 ~) Q8 N. @6 Q　　在对于科学的发现优先权问题上，菲涅耳和托马斯?杨相互谦让，相互理解，这是物理学史中一段值得让人怀念的佳话。
　　菲涅耳具有卓越的数学才能，他随后考虑把波动的周期性相位变化同惠更斯原理结合起来，并用解析的形式进行精确的表达。他考虑的是，在给定时刻，从任何部位传到指定地点的所有振动的叠加。这就是所谓的惠更斯-菲涅耳原理。应用该原理，菲涅耳对衍射问题进行了精确的计算。
　　此时，由于拉普拉斯（P.-S.M.deLaplace,1749-1827）的光学研究支持了微粒说，法国这一学派的科学家为进一步推动微粒说的发展，1817年促成巴黎科学院以光的衍射为论题设立1819年物理学征文奖。在评奖委员会中拉普拉斯、泊松（S.-D.Poisson,1781-1840）和比奥（J.B.Biot,1774-1862）都是微粒说的支持者，盖-吕萨克(Gay-Lussac,1778-1850)是中立者，只有阿拉果（D.F.J.Arago,1786-1853）是波动说的支持者。
　　在阿拉果的鼓励下，菲涅耳于1818年向科学院提交了应征论文。他详细地计算了直边、窄条和狭缝的衍射图样，并提供了实验证明。泊松在阅读菲涅耳的论文后指出，根据菲涅耳的理论，小圆盘衍射图样的中心会是亮点。菲涅耳很快完成了这个问题的理论计算和观察实验。这个出乎意外的肯定结果使评委们一致信服。菲涅耳不仅获得了征文奖，而且为光的波动说战胜微粒说作出了决定性的贡献。