我們每天都享受著陽(yáng)光，可是從什么時(shí)候起，人類開始思考光到底是什么呢？如果世界是由原子組成的，那么光也有最小的單元嗎？今天我們就來說人類對(duì)于光的探索。

光有很多有意思的現(xiàn)象，就比如，為什么鏡子里能夠看到一個(gè)相同的自己呢？這個(gè)問題早在我國(guó)古代的墨子就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，“景日之光反燭人，則景在日與人之間。”不過墨子僅僅是描述了這種現(xiàn)象，很可惜沒有總結(jié)規(guī)律，光的反射定律大概是公元前3世紀(jì)古希臘時(shí)期柏拉圖學(xué)派發(fā)現(xiàn)的，其實(shí)很簡(jiǎn)單，反射定律就是入射角等于反射角。

光還有一個(gè)有意思的現(xiàn)象，就是當(dāng)一束光從空氣射入水中的時(shí)候，光路會(huì)發(fā)生偏折，我們現(xiàn)在知道這個(gè)現(xiàn)象叫做折射，不過在幾千年前人類只是單純的覺得好玩，好奇，也是在古希臘時(shí)期大概是公元100年左右，天文學(xué)家托勒密就專門研究過這個(gè)折射問題，不過他給出的答案是入射角與折射角成正比，那我們現(xiàn)在知道，正確的折射定律是入射角和折射角的正弦值之比是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)取決于介質(zhì)的折射率。

一直到了17世紀(jì)，天文學(xué)家受不了了，因?yàn)椋?603年的時(shí)候望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)了，人類可以觀測(cè)更遠(yuǎn)的光了，但是就出現(xiàn)了一個(gè)問題，遙遠(yuǎn)的星體傳過來的光會(huì)受到大氣層的折射，然后又沒有折射定律，就是折射不知道啥規(guī)律，所以天文學(xué)家就沒法準(zhǔn)確判斷這個(gè)光是從什么地方傳過來的。

從17世紀(jì)開始，折射問題就成了物理學(xué)當(dāng)中不得不研究的棘手問題。1611年，開普勒就曾經(jīng)研究過，但是也沒有給出正確答案，不過開普勒借此機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)了全反射。到了1621年，荷蘭的斯涅耳重新利用開普勒的方法給出了折射定律最早的版本，就是入射角和折射角的余割之比是一個(gè)常數(shù)，余割就是正弦的倒數(shù)嘛，這是最早的版本，不過斯涅耳在生前沒有發(fā)表出來，后來是惠更斯在整理斯涅耳的手稿的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了這個(gè)公式，于1703年公布了出來，說這個(gè)折射定律是斯涅耳先發(fā)現(xiàn)的，所以折射定律又叫做斯涅耳定律。我

們現(xiàn)在看到的兩個(gè)角正弦之比是常數(shù)這個(gè)版本的折射定律是笛卡爾在1637年給出的，笛卡爾是數(shù)學(xué)家，所以他在推導(dǎo)折射定律的時(shí)候甚至都沒有做實(shí)驗(yàn)，也沒有參考斯涅耳的結(jié)果，他是用了他自己的假設(shè)，他把光假設(shè)成了球，然后用力學(xué)規(guī)律推導(dǎo)出來的，居然結(jié)果是正確的。不得不說，折射定律的發(fā)現(xiàn)是光學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑事件。不僅僅是因?yàn)樗鉀Q了天文學(xué)家在望遠(yuǎn)鏡上的觀測(cè)問題，而是折射定律引發(fā)了人們對(duì)于光的進(jìn)一步思考，就是光的本性是什么。就連笛卡爾本人也是很矛盾的，他自己把光假象成小球推導(dǎo)折射定律，但是他卻認(rèn)為光應(yīng)該是一種波，一種類似于彈簧的波，就是一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的彈簧，還可以拉伸。

是誰(shuí)第一個(gè)把光和水波進(jìn)行類比的呢？是意大利的數(shù)學(xué)家格里馬第，他發(fā)現(xiàn)了光的衍射，衍射這個(gè)詞就是他起的名，衍射的拉丁語(yǔ)直譯過來就是成為碎片的意思。格里馬第發(fā)現(xiàn)當(dāng)光遇到障礙物的時(shí)候會(huì)發(fā)生不同程度的散開傳播，就像這樣，然后他就聯(lián)想到了水波，當(dāng)時(shí)人們總結(jié)出了光的三種傳播方式分別是直線傳播、反射和折射。格里馬第就說，除了這三種傳播方式還有第四種，就是我發(fā)現(xiàn)的這個(gè)衍射。這算是最早的波動(dòng)說了，再后來又一個(gè)人把他的思想拓展了。

這個(gè)人就是惠更斯，其實(shí)十七世紀(jì)人們除了研究光以外還在研究聲音，惠更斯受此啟發(fā)，他把光類比成聲波，但是聲波是縱波，縱波就是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向一致，這個(gè)波就是縱波。舉例子，比如敲鑼，duang~然后這個(gè)鑼這樣振動(dòng)，它產(chǎn)生的聲波就是向這個(gè)方向和這個(gè)方向傳播的，和振動(dòng)方向一致，所以聲波是縱波。橫波是什么意思呢，就是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向垂直，那這個(gè)波就是橫波。就比如健身房的甩繩，你是上下甩的，然后你看波的方向是向你前方傳遞的，也就是和你甩動(dòng)的方向相互垂直，這就是橫波。光波其實(shí)是橫波而不是縱波，但那個(gè)時(shí)候惠更斯不知道，所以他的波動(dòng)理論很難正確解釋衍射和偏振現(xiàn)象。

而就在同時(shí)期的牛頓則認(rèn)為光就是粒子，他甚至還把光子假象成小球來做計(jì)算。畢竟牛頓是研究天體的，假象成小球也會(huì)更方便一些。但是正因?yàn)榕ｎD萬(wàn)有引力定律的卓越貢獻(xiàn)，人們其實(shí)更愿意相信牛頓的微粒說，而不是惠更斯的波動(dòng)說。時(shí)間一長(zhǎng)，波動(dòng)說就不再被人們關(guān)注了。

作者：媽咪說科普創(chuàng)作者

審核：羅會(huì)仟中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員

文章由科普中國(guó)-創(chuàng)作培育計(jì)劃出品，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源。

來源: 星空計(jì)劃

內(nèi)容資源由項(xiàng)目單位提供