现代光学对光本性的研究分析

    曲阳 曹显莹

    [摘 要] 光学作为物理学中极其重要的也最古老的学科，至今依旧活跃在现代科学技术领域，它不仅具有超强的生命力，还具有普遍的实用性。主要从现代光学的角度对光的本性进行研究与分析，以便为光学在实际生活与学术中的应用提供理论与实践基础。

    [关 键 词] 现代光学；光的本性；研究

    [中图分类号] O431 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）13-0221-01

    一、光的波动说与微粒说

    （一）光的波动说

    物理学家惠更斯认为光是一种微小粒子，它是发光体在震动后弥漫在宇宙空间中的一种常规传播过程，也就是说发光体在以“太”振动时，光的振动源就是以“太”為单位的一种介质点，并逐渐向周围传播球面次波，而当这些球面次波通过不同的形式组合在一起时所形成的包络面，就成了下一个瞬间的新的波面，因此人们便将其称作惠更斯原理。这不仅在一定程度上反映和解释了光的反射，也在一定程度上确认了光只是一种波动运动，但也从另一个侧面反映了光在空气中的传播速度是显著高于光在水中的传播速度的，而从当时的条件来看，这符合光在空气与水中的测定条件。直到1678年惠更斯推导出光的直线传播、反射和折射定律，才真正地推动了光学研究与运用的全面发展，但好景不长。惠更斯的光学波动说原理也为后来托马斯·杨等人的波动说复兴提供了坚实的理论基础。

    （二）复兴波动说

    1801年物理学家托马斯·杨利用干涉观念对牛顿环做了全面的解释，也使托马斯·杨成为历史上第一个通过近似测定波长的科学家。第二年托马斯·杨又通过光的波动说原理成功地阐明了光的干涉与相关分布规律，直到1807年托马斯·杨出版《自然哲学与机械工艺讲义》再一次全面地对光的波动说和光的干涉进行了更深层次的阐述。

    1815年物理学家菲涅尔通过两个小孔试验证明：影子的存在与光的直线传播以及光的干涉现象和声音的干涉现象是存在差异的，这也为光的波动说理论增添了光彩的一笔。直到后来物理学家泊松通过圆片阴影亮点假设证明，在菲涅尔关于光的干涉理论中，当圆片的半径相对较小时，这个亮点才会更明显。而在后来的一段时间内菲涅尔又成功地证明和阐述了光的衍射现象，因此，人们也亲切地将菲涅尔推算出来的公式叫做菲涅尔公式。但同时我们也可以看出，菲涅尔的研究依旧是以“太”为传播介质的，虽然大部分光的传播途径能很好地解释与证明，但对光的本质认识依旧有很长的一段距离。

    （三）微粒说与波动说之争

    在对光的折射现象分析中，微粒说与波动说最终形成和得到的结论都是各不相同的。光的微粒说阐明了光在介质中的速度在很大程度上是大于光速的，而光的波动说却在一定程度上证明了光速在某种介质中的传播速度小于光疏介质中的光速。但无论如何这都与当时的试验条件相关，因此谁是谁非根本无法确定。

    二、光的电磁波理论体系的建立与发展

    1865年，电磁波第一次由物理学家麦克斯韦提出，麦克斯韦通过对电磁波的计算得出电磁波的传播速度与光速是相等的。同时麦克斯韦的成功语言语试验也有力地揭示了光现象与电磁现象之间的密切联系。直到德国物理学家赫兹在1888年的物理试验中证明了电磁波的存在，才使麦克斯韦的理论逐渐被大众所接受。而在电磁波的定量研究中，麦克斯韦除了有效地测定了电磁波的横波性外，还通过类比机械波的波速相关性证明了电磁波的传播速度与电场之间的相互联系。

    （一）光辐射的量子性分析

    为了有效地推导出黑体辐射公式，物理学家普朗克将频率y作为主要的谐振子，将过量取值定为E=hy的整数倍，并将其命名为能量子，但他依旧感到难以置信。因此，为了尽量降低经典物理学之间的矛盾，他逐渐将合体黑体空腔壁上的谐振子的能量逐步量子化，而适当地忽略腔内辐射场本身所具有的连续性，也就是具有连续分布效应的麦克斯韦电磁场，虽然普朗克的量子论在黑体辐射方面取得取得了巨大的成功，但没真正地对光电效应做出科学、合理、有效的阐述。而从爱因斯坦对热辐射的研究结果表明，麦克斯韦电磁场理论是存在一定缺陷的，其主要缺陷是连续空间函数理论。

    普朗克与麦克斯韦的理论却在移动程度上帮助爱因斯坦找到了一条出路：就是抛弃麦克斯韦的对电磁场的连续场，大胆地承认光量子的存在，也就是说，当光束与物质相互作用时，其能流与光的波动理论中运行情况存在较大差异，它不具有连续分布性，同时通过光量子的形式存在于相应的光子粒子上，此时光子的能量与其频率之间成正比，也就是说E=hy。通过这样的形式能有效地解决黑体辐射、紫外线等产生的各种现象。

    （二）再次认识光的本性

    在爱因斯坦、康普顿等人对光辐射的量子性研究后，直到1956年光子成串试验以及后来的光子反成串效应的证实才真正地打开了光子研究的新局面与新方向。而从光子成串试验的研究结果来看，其结果是令人惊奇的，一是光子成串试验中的光子有明显的正关联效应，也就是说光子在正关联效应下不具备相应的随机分布规律，而是以长成串的形式出现；二是光子在热光源的环境下呈现出服从玻色设计。运行速度相对较高，同时平均的光子数也处于相对较高的相干态；三是激光的二阶相干度不存在关联性，在粒子数完全相等且确定的情况下激光的二阶相干性还表现出负关联状态，而这些现象都是与经典物理学理论的结果背道而驰的。光子成串效应的提出也将人们对光的本性认识提上了更高的平台。

    参考文献：

    [1]郭中华.初探现代光学对光本性的研究[J].甘肃科技纵横，2005，34（5）：45.

    [2]刘传杰，李玉梅.纸张表面光学特性的研究分析[J].今日印刷，2017（5）：63-64.

    [3]肖骏.基于导波光学对光纤陀螺传输特性的探讨[J].信息通信，2018（1）.