1.7 光的传播定律与相对性原理的表面抵触

附〉〉〉光 学

光学是物理学的一个部门。光学的任务是研究光的本性，光的辐射、传播和接收的规律，光和其他物质的相互作用（如物质对光的吸收、散射、光的机械作用和光的热、电、化学、生理效应等）以及光学在科学技术等方面的应用。

光学的历史 光学的历史可以追溯到两三千年前。中国先秦思想家墨子在《墨经》中记载了许多光学现象和成像规律，比如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等等。西方的光学记载也比较早，欧几里得在《反射光学》中研究了光的反射，阿拉伯学者阿勒·哈增也在《光学全书》中讨论了许多光学现象。

光学真正形成一门学科，是在反射定律和折射定律建立之后。这两个定律奠定了几何光学的基础。

光的折射原理 示意图

光的折射是指光线在通过疏密不同的介质交界面时改变方向的现象。如图所示：站在岸上的人，观察水中鱼的位置往往比鱼的实际位置要浅得多，这就是由于光的折射。

牛顿的微粒说 对于光的本质，经典物理学的奠基者牛顿基本上是主张微粒说的。他根据光的直线传播性质，提出光是微粒流的理论。他认为，这些微粒从光源飞出来，在真空或均匀物质内由于惯性而做匀速直线运动；认为光线可能是由球形的物体所组成，并用这种观点解释了光的直线传播和光的反射、折射定律。“牛顿环”现象是牛顿的一项重要发现。当他把一个平凸透镜放在一个双凸透镜上时，观察到一系列明暗相间的同心环。牛顿用他的微粒说解释了牛顿环现象。

巴耳末系 示意图

巴耳末系是后人根据巴耳末公式所表达的一组谱线，谱线均落在可见光区域。1885年，巴耳末将前人观察到的14条氢光谱线进行分析研究后提出一个经验公式——巴耳末公式，根据公式可以计算出光区域谱线的波数。

惠更斯的波动说大约与牛顿在英国强调微粒说的同时，荷兰物理学家惠更斯在欧洲大陆发展了“波动说”。惠更斯于1678年向法国科学院提交了《光论》这本著作，以批驳牛顿的微粒说，同时提出了他的波动说。他认为，光是由发光体的微小粒子的振动在充满于宇宙空间的媒质“以太”中的一种传播过程，光的传播方式与声音的传播方式一样。惠更斯认为，光是一种波，这一波以非常大但又是以有限的速度在以太中传播。惠更斯由此断言，新的波前在被光所触及的每个颗粒周围产生，并以半球形式散布开来；产生于单一的点的单一波前是无限微弱的，不产生光，但无限多的这种波前重叠的地方就产生了光。这就是惠更斯原理。

惠更斯 油画

惠更斯是荷兰数学家、物理学家，出生于海牙，但从1666年起长期在法国科学院任职。他生前名重一时的著作是《钟表的振动》，其中包括了他对摆线及其等时性的研究。

激 光（左） 合成图片

1960年，一种神奇的光诞生了，它就是激光。激光的英文名称是 Laser，它是英语短语“受激发射光放大”中每个实词的第一个字母组成的缩略词，它包含了激光产生的由来。激光的方向性极好，在传播中始终像一条笔直的线，不易发散，光强也可以保证。一束射出20千米远的激光，其光斑只有杯口那么大。

光学望远镜（右） 摄影

光学望远镜主要分为反向望远镜、折射望远镜和施密特望远镜三类。通过光学望远镜我们可以观测更深层领域的宇宙空间。

两种学说都可从理论中导出光的反射和折射定律，但说法不一。牛顿说，当光从一种介质进入另一种密度较大的介质时，例如光从空气进入水中，由于光的微粒受到引力的作用，光速会加快。惠更斯则从波的性质考虑，认为光速会减慢。由于牛顿在学术界的巨大声望，波动说在当时不受重视。

随着光学研究的深入，人们逐渐发现许多不能用直进性解释的现象，例如干涉、衍射等，用光的波动性就很容易解释。1801年，英国学者杨格（1773—1829年）做了一个著名的光学实验。他首先将单色光通过一条狭缝，再照射到两条非常靠近的狭缝，结果射出后的光并不沿直线前进，而是散开，在稍远处的光屏上形成亮暗相间的条纹。这是“波”特有的性质，即“干涉现象”。杨格实验显示光具有波动性质，牛顿的粒子说开始动摇。

1850年，两位法国人菲左（1819—1896年）和佛科（1819—1868年），分别通过独立的实验精确地测出光速，发现光在水中的速率比在空气中慢。牛顿“粒子说”的预测被推翻。惠更斯的“波动说”得到实验的支持，获得空前胜利，转居上风。“粒子说”几乎全盘被否定。

1859年，德国人克希荷夫（1824—1887年）和本生（1811—1899年）发现，每一种化学元素在气体状态时，都有其特定的明线光谱结构。因此光谱可用于精密分析物质的组成成分。由太阳光谱的暗线位置，可判知太阳大气层含有哪些元素。可是他俩并没有追究到原子内部结构和光谱线之间的关系。

20世纪初，科学家又发现光线在投到某些金属表面时，会使金属表面释放电子，这种现象被称为“光电效应”。同时发现，光电子的发射率，与照射到金属表面的光线强度成正比。但是如果用不同波长的光照射金属表面时，照射光的波长增加到一定限度时，既使照射光的强度再强也无法从金属表面释放出电子。这是无法用波动说解释的，因为根据波动说，在光波的照射下，金属中的电子随着光波而振荡，电子振荡的振幅也随着光波振幅的增强而加大，或者说振荡电子的能量与光波的振幅成正比。光越强振幅也越大，只要有足够强的光，就可以使电子的振幅加大到足以摆脱金属原子的束缚而释放出来，因此光电子的释放不应与光的波长有关。但实验结果却违反这种波动说的解释。

光 波 合成图片

惠更斯认为，光是由发光体的微小粒子的振动在充满于四周空间的媒质“以太”中的一种传播过程，这样我们才能看见光。

爱因斯坦通过光电效应建立了他的光子学说。他认为，光波的能量应该是“量子化”的。辐射能量是由许许多多分立能量元组成，这种能量元称之为“光子”。光子的能量决定于方程

E=hv

式中：E=光子的能量，单位为焦耳；h=6.624×10-34焦耳·秒，为普朗克常数；v为每秒振动数，即频率。

v=c/λ

式中，c为光线的速度，λ为光的波长。

偏振光的干涉

干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象。1801年，英国物理学家托马斯·杨(1773—1829年)在实验室里成功地观察到了光的干涉。两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。

现代的观念认为，光具有微粒与波动的双重性格，这就是“量子力学”的基础。在研究和应用光的知识时，常把它分为“几何光学”和“物理光学”两部分。适应不同的研究对象和实际需要，还建立了不同的分支。如光谱学、发光学、光度学、分子光学、晶体光学、大气光学、生理光学和主要研究光学仪器设计和光学技术的应用光学等等。

〉〉〉光的传播定律

光的传播定律有三个：光的直线传播定律、反射定律、折射定律。

光的直线传播定律

光在均匀媒质中是沿着直线传播的。因此，在点光源（其线度和它到物体的距离相比很小的光源）的照明下，物体的轮廓和它的影子之间的关系，相当于用直线所作的几何投影。光的直线传播定律是人们从实践中总结出来的。而直线这一概念本身，显然也是由光学的观察而产生的。作为两点间的最短距离是直线这一几何概念，也就是光在均匀媒质中沿着它传播的那条线的概念。所以自古以来，在实验上检查产品的平直程度，均以视线为准。但是，光的直线传播定律并不是在任何情况下都是适用的。如果我们使光通过很小的小孔，则光的传播将不再遵循直线传播定律。如果孔的直径在1/100毫米左右，我们只能看到一个模糊的小孔的像。孔越小，像越模糊。如果孔小于1/2 000毫米时，我们就看不见小孔所成的像了。这是光的波动性造成的。

激光测距仪 示意图

激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。

光的反射定律

光遇到物体或遇到不同介质的交界面（如从空气射入水面）时，光的一部分或全部被表面反射回去，这种现象叫做光的反射。由于反射面的平坦程度，有单向反射及漫反射之分。人能够看到物体正是由于物体能把光“反射”到人的眼睛里，没有光照明物体，人也就无法看到它。

在光的反射过程中所遵守的规律：①入射光线、反射光线与法线（通过入射点且垂直于入射面的线）同在一平面内，且入射光线和反射光线在法线的两侧；②反射角等于入射角（反射角是法线与反射线的夹角，入射角是入射线与法线的夹角）。在同一条件下，如果光沿原来的反射线的逆方向射到界面上，这时的反射线一定沿原来的入射线的反方向射出。这一点谓之为“光的可逆性”。

光的直线传播

强光沿着直线传播，直到触及这只手，再经过反射离开手心，沿另一方向直线传播。

漫反射 当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，因面上凹凸不平，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，这种反射称之为“漫反射”或“漫射”。这种反射的光称为漫射光。很多物体，如植物、墙壁、衣服等，其表面粗看起来似乎是平滑的，但用放大镜仔细观察，就会看到其表面是凹凸不平的，所以本来是平行的太阳光被这些表面反射后，弥漫地射向不同方向。

大气层 合成图片

大气是指包围在地球表面并随地球旋转的空气层。它不仅维持生物体生命所必需，而且参与地球表面的各种过程，如水循环、化学和物理风化、陆地上和海洋中的光合作用及腐败作用等。此外，各种波动、流动和海洋化学也都与大气活动有关。

反射率 又称“反射本领”。是反射光与入射光强度的比值。不同材料的表面反射率不同，其数值多以百分数表示。同一材料对不同波长的光可有不同的反射率，这个现象称为“选择反射”。所以，凡列举一材料的反射率均应注明其波长。例如玻璃在可见光的反射率约为4%，锗对波长为4微米红外光的反射率为36%，铝从紫外光到红外光的反射率均可达90%左右，金的选择性很强，在绿光附近的反射率为50%，而在红外光的反射率可达96%以上。此外，反射率还与反射材料周围的介质及光的入射角有关。上面谈及的均是指光在各材料与空气分界面上的反射率，并限于正入射的情况。

光的折射定律

凡光线在通过疏密不同的介质交界面时改变方向的现象，称为光的折射。

汤 斯 摄影

汤斯是美国物理学家。1915年7月28日生于南卡罗来纳州格林维尔，汤斯是一位律师的独生子。1935年他以优等成绩毕业于故乡的福曼大学。他在杜克大学获得硕士学位后去西部深造，于1939年在加利福尼亚理工学院获得博士学位。在第二次世界大战期间以及战后的几年中，他在贝尔实验室从事雷达投弹系统的设计工作。

光的折射定律，是指在光的折射过程中，确定折射光线方向的定律。它由荷兰科学家斯涅耳（1591—1626年）在1618年首先发现，故称“斯涅耳定律”。一般来说，光从一种媒质射到另一种媒质平滑界面（反射面）时，一部分将被界面所反射，另一部分将进入界面而在另一媒质中发生折射。折射定律指出：①折射（光）线位于入射（光）线和法线所决定的平面内，折射线和入射线分别位于法线的两侧；②入射角的正弦和折射角的正弦的比值，对于一定的两种媒质来说是一个常数，这常数称为“第二媒质对第一媒质的相对折射率”，并等于第一媒质中的光速与第二媒质中的光速之比值。任一媒质对真空（作为第一媒质）的折射率称为这媒质的“绝对折射率”，简称“折射率”。是几何光学基本定律之一。

光 谱 合成图片

光谱是用来鉴别物质、发现新元素和确定它的化学组成的重要依据。光谱分为发射光谱和吸收光谱两大类。物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。

光线由稀的介质入射到密的介质时，折射线常向法线偏向，故折射角常比入射角小；若由密的介质透入稀的介质时，折射线常远离法线，折射角常比入射角大。当光线通过介质的密度在不断变化时，光线前进的方向也随之改变，因此我们隔着火盆上的热空气看对面的东西时，会觉得那东西不停地在闪动。这是由于火盆上面的空气因受热很快地上升，这部分空气的密度便和周围空气的密度不同，而且热度还不断在变化，当由物体射来的光线通过这样的空气，其折射光线的路径不断发生变化，就会使物体变成了闪动的形状。

光的散射 示意图

光束通过不均匀媒质时，部分光束将偏离原来方向而分散传播，从侧向也可以看到光的现象，叫做光的散射。引起光散射的原因是由于媒质中存在着其他物质的微粒，或者媒质本身密度的不均匀性(即密度涨落)。

在炎夏中午时分，假使躺在地上来看树木、房屋和人物，它们的轮廓好像是透过一层流动的水一样，而且动摇不定。这是因为那时十分炎热，地面的辐射热很多，温度高，接近地面的空气受热，密度变小，因而上升，成为向上流动的气流，由物体射来的光线通过这种变动着的气流折射光线的路径就不断改变，因此所看到的物体都动摇不定。我们在夜里看到天空中恒星的闪动，也是这个道理。大气里经常存在着密度不同的气流和旋涡，当恒星的光线通过这种气流时，就会使它原来折射的路径发生变化，一会儿到左，一会儿到右。恒星是不会闪动的，都是这折射光造成的。