“光”到底是什么?

“光”到底是什么?
“光”到底是什么?

“光”到底是什么?
光是电磁波,可见光是波长为400-700纳米的电磁波.小于400纳米的电磁波为紫外线,如X-射线；大于700纳米的电磁波为红外线,如微波、广播无线电波.波长单位为纳米,
　　什么是光
　　我们一直在争论“光”是属于波还是粒子,甚至以古典力学闻名世界的牛顿也讨论过这个问题.物理学此后发展到了量子论（1900年）、量子力学,然后爱因斯坦于1904年发表了相対论,对光的定义做出了全新的解释：光既是一种波,同时又是一种粒子.也就是说,一直争论不休的双方都没有错.
　　光是电磁波的一种,也是能源的一种表现形式.它在真空中的传播速度达到每秒钟30万公里,没有任何物质的速度会超过光——也有人说尚不能绝对的这样说.黑白摄影时,我们通常使用红色或绿色的滤镜,它的原理是用滤镜吸收与它自身颜色不同的光线,并把吸收的光能转换为热能释放出来.使用滤镜时常常感到它在发热就是因为这个道理.对于电磁波,人类的眼睛可以识别的称为可视光,就是平常我们称作的“光”.光本身是看不到的,我们只有注视光源和依靠反射物才能够感觉它.有些昆虫使用紫外线识别对象,蝮蛇则通过红外线识别,而狗、牛、猫和马都不能识别色彩.
　　光的种类
　　光源可以分为三种.
　　第一种是热效应产生的光,太阳光就是很好的例子,此外蜡烛等物品也都一样,此类光随着温度的变化会改变颜色.
　　第二种是原子发光,荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光,此外霓虹灯的原理也是一样.原子发光具有独自的基本色彩,所以彩色拍摄时我们需要进行相应的补正.
　　第三种是synchrotron发光,同时携带有强大的能量,原子炉发的光就是这种,但是我们在日常生活中几乎没有接触到这种光的机会,所以记住前两种就足够了.
　　光的印象
　　光是直线前进的,碰到东西时它会反射,如果是透明物体还会透过去,根据物质的密度还会有曲折现象发生——这就是镜头的原理.另外,光在遇到半透过物质（比如柔光板）是还有散射现象,就是失去了平行性,往任何一个方向散射开,我们看到的结果是光在传播过程中强度减小了.反过来,如果光一直保持不散开的状态就可以传播的很远.我们知道激光就有这样的特性,而身边最常见的例子是探照灯,我们会在后面讲到.具体拍摄时所使用的有散光、直射光或者两者的混合光,知道这些区别,拍摄写真会有很大的帮助.
　　直射光和反射光
　　散光是指散乱的光线,想想一下午后透过窗帘传播到室内的阳光,就会有个大致的印象.散光分为两种,一种是由透过光形成,另一种由反射光形成的（实际拍摄中,我们利用柔光板得到散光,反射光则是由反光板反光而来的）.
　　如果让太阳光透过柔光板,光线被柔光纸作用散射向四处.这时处在附近的被拍摄体暗部光线被加强,同时高光部的光线被减弱,拍摄出来的照片就会显得非常柔和.此时主光源就是柔光板——正确的说应该是柔光板被阳光照射的部分.如果这时整个柔光板是边长为10米的正方形,而被光照射的部分是1平方米的正方形,那么主光源的大小应该是这边长为1米的范围.
　　当模特接近柔光板时,主光源相对变大,散光效果会较先前更加明亮.此外,使用白纸和白布的效果也是一样.散光,就是把光线的平行性打乱的方法,因此散光的环境下很难出现明显得阴影部分,阴影的轮廓线将很模糊,甚至看不到.而希望得到清晰的阴影边线是,通常是使用直射光.
　　下面来讨论一下直射光,可以想象一下太阳光直接照射到人物脸部时候的情形.与四周的反射光相比较,此时的太阳光非常强烈,明暗的差别也相当大,给人的印象是分明、极富对比性.我们从复数的物体阴影开始,向造成阴影的物体的相对点画直线,直线延长后会相交于一处,光源就存在于交叉点上,交叉点的数目和光源的数目应该是等同.太阳和月亮的光是平行的（我们几乎无法用物理手段证明它不是平行）,所以不会产生交点.这一现象可以用几何学得到证明.
　　对比度
　　对比度是指明暗的差异,简单说就是高光部和阴影部之间的光量差.我们说的对比度强烈,所指的就是高光部和阴影部之间的光量差很大；对比度小,则刚刚相反.
　　如此可以得知,用散光拍摄的照片,在其他条件相同的情况之下,对比度应该相对的低一些——给人的印象是光线非常光滑、柔软,烘托出一种华贵的氛围.但是这种照片由于对比度不够,可能会显得层次不够分明.另一方面,光亮差小的好处是有助于彩色胶片再现各种颜色.
　　和散光相反,直射光下拍摄的图像给人以鲜明的感觉,如果明暗的比例适中,还可以起到强调被拍摄物立体感的作用.同时照片中影像的边缘看起来比较分明.这种光线很难正确显示被拍摄物的色彩.
　　散光比较适合日本画,尤其是那些强调表现微妙的色彩差异、情绪性、主观性的画面.直射光适合于西方绘画,或者是希望给人客观性印象的时候.在印刷方面,直射光适合于黑白,散光适合于彩色方面.我们会在以后继续加以介绍.
　　望远镜头和散光的组合,比较适合于日本画以及装饰性的拍摄；直射光和望远镜头的组合适合于表现强有力的影像——比如运动场面.广角镜头加直射光的组合非常具有客观性,给人以西方的印象；散光和广角镜头的组合位于中间,最是难以控制.东洋绘画技法中本来就没有光和阴影的概念.
　　有时遇到物理性的名词可以去查查现代汉语词典的,如果说根本不知道的话也是可以先去看看文字上的解释(参见<现代汉语词典>修订本第468页)
　　光:通常指照在物体上,使人能看见物体的那种物质,如太阳光,灯光,月光等可见光是波长077-039微米的电磁波此外还包括看不见的红外光和紫外光因为光是电磁波的一种,所以也叫光波;在一般情况下光沿着直线传播,所以也叫光线
　　光的知识
　　狭义来说,光学是关于光和视见的科学,optics(光学)这个词,早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物.而今天,常说的光学是广义的,是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到 X射线的宽广波段范围内的,关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示,以及跟物质相互作用的科学.
　　光学的发展简史
　　光学是一门有悠久历史的学科,它的发展史可追溯到2000多年前.
　　人类对光的研究,最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体?”之类问题.约在公元前400多年(先秦的代),中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识.它有八条关光学的记载,叙述影的定义和生成,光的直线传播性和针孔成像,并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系.
　　自《墨经)开始,公元11世纪阿拉伯人伊本?海赛木发明透镜；公元1590年到17世纪初,詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到17世纪上半叶,才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果,归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律.
　　1665年,牛顿进行太阳光的实验,它把太阳光分解成简单的组成部分,这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱.它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征,各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的.
　　牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上,当用白光照射时,则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时,则出现一组明暗相间的同心环条纹,后人把这种现象称牛顿环.借助这种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光.
　　牛顿在发现这些重要现象的同时,根据光的直线传播性,认为光是一种微粒流.微粒从光源飞出来,在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动.牛顿用这种观点对折射和反射现象作了解释.
　　惠更斯是光的微粒说的反对者,他创立了光的波动说.提出“光同声一样,是以球形波面传播的”.并且指出光振动所达到的每一点,都可视为次波的振动中心、次波的包络面为传播波的波阵面(波前).在整个18世纪中,光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来,但都不很完整.
　　19世纪初,波动光学初步形成,其中托马斯?杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象.菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理,由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理,用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象,也能解释光的直线传播.
　　在进一步的研究中,观察到了光的偏振和偏振光的干涉.为了解释这些现象,菲涅耳假定光是一种在连续媒质(以太)中传播的横波.为说明光在各不同媒质中的不同速度,又必须假定以太的特性在不同的物质中是不同的；在各向异性媒质中还需要有更复杂的假设.此外,还必须给以太以更特殊的性质才能解释光不是纵波.如此性质的以太是难以想象的.
　　1846年,法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年,韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值.他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系.
　　1860年前后,麦克斯韦的指出,电场和磁场的改变,不能局限于空间的某一部分,而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着,光就是这样一种电磁现象.这个结论在1888年为赫兹的实验证实.
　　然而,这样的理论还不能说明能产生象光这样高的频率的电振子的性质,也不能解释光的色散现象.到了1896年洛伦兹创立电子论,才解释了发光和物质吸收光的现象,也解释了光在物质中传播的各种特点,包括对色散现象的解释.在洛伦兹的理论中,以太乃是广袤无限的不动的媒质,其唯一特点是,在这种媒质中光振动具有一定的传播速度.
　　对于像炽热的黑体的辐射中能量按波长分布这样重要的问题,洛伦兹理论还不能给出令人满意的解释.并且,如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话,则可将不动的以太选作参照系,使人们能区别出绝对运动.而事实上,1887年迈克耳逊用干涉仪测“以太风”,得到否定的结果,这表明到了洛伦兹电子论时期,人们对光的本性的认识仍然有不少片面性.
　　1900年,普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念,提出了辐射的量子论.他认为各种频率的电磁波,包括光,只能以各自确定分量的能量从振子射出,这种能量微粒称为量子,光的量子称为光子.
　　量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律,而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题.量子论不但给光学,也给整个物理学提供了新的概念,所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点.
　　1905年,爱因斯坦运用量子论解释了光电效应.他给光子作了十分明确的表示,特别指出光与物质相互作用时,光也是以光子为最小单位进行的.
　　1905年9月,德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的“关于运动媒质的电动力学”一文.第一次提出了狭义相对论基本原理,文中指出,从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学,其应用范围只限于速度远远小于光速的情况,而他的新理论可解释与很大运动速度有关的过程的特征,根本放弃了以太的概念,圆满地解释了运动物体的光学现象.
　　这样,在20世纪初,一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性——微粒性.
　　1922年发现的康普顿效应,1928年发现的喇曼效应,以及当时已能从实验上获得的原子光谱的超精细结构,它们都表明光学的发展是与量子物理紧密相关的.光学的发展历史表明,现代物理学中的两个最重要的基础理论——量子力学和狭义相对论都是在关于光的研究中诞生和发展的.
　　此后,光学开始进入了一个新的时期,以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分.其中最重要的成就,就是发现了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射,并且创造了许多具体的产生受激辐射的技术.
　　爱因斯坦研究辐射时指出,在一定条件下,如果能使受激辐射继续去激发其他粒子,造成连锁反应,雪崩似地获得放大效果,最后就可得到单色性极强的辐射,即激光.1960年,梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器.由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性,所以自1958年发现以来,得到了迅速的发展和广泛应用,引起了科学技术的重大变化.
　　光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的.这一分支最早可追溯到1873年阿贝提出的显微镜成像理论,和1906年波特为之完成的实验验证；1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法,并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜,为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖；1948年伽柏提出的现代全息照相术的前身——波阵面再现原理,为此,伽柏获得了1971年诺贝尔物理学奖.
　　自20世纪50年代以来,人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来,给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念,更新了经典成像光学,形成了所谓“博里叶光学”.再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特内克斯改进了的全息术,形成了一个新的学科领域——光学信息处理.光纤通信就是依据这方面理论的重要成就,它为信息传输和处理提供了崭新的技术.
　　在现代光学本身,由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意.激光光谱学,包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲,以及可调谐激光技术的出现,已使传统的光谱学发生了很大的变化,成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段.它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术.
　　光学的研究内容
　　我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学.
　　几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发,来研究光的传播问题的学科.它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径,它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限.
　　物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科,所以也称为波动光学.它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振,以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象.
　　波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组.波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系,而侧重于解释光波的表现规律.波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象,以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响.
　　量子光学
　　1900年普朗克在研究黑体辐射时,为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式,他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设,即“组成黑体的振子的能量不能连续变化,只能取一份份的分立值”.
　　1905年,爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论,进而提出了光子的概念.他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样分布在波阵面上,而是集中在所谓光子的微粒上.在光电效应中,当光子照射到金属表面时,一次为金属中的电子全部吸收,而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间,电子把这能量的一部分用于克服金属表面对它的吸力即作逸出功,余下的就变成电子离开金属表面后的动能.
　　这种从光子的性质出发,来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学.它的基础主要是量子力学和量子电动力学.
　　光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性.后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了：非但光有这种两重性,世界的所有物质,包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物,也都有与其本身质量和速相联系的波动的特性.
　　应用光学
　　光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用,所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围.例如,有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器,来研究电磁辐射所引起的彩色视觉,及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论,光学制造和光学测试,干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支,如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等.