第五章  光

「光」是什麼？千百年來，無數的哲學家和科學家競相思考。

◎  十七世紀時，牛頓在思索天體運動的規律時，也同時在思索光的本質。其後光的「粒子說」和「波動說」爭執了兩個世紀，是物理史上最引人興趣的真理辯論過程。

◎  到了二十世紀時，愛因斯坦對「光」的詮釋，使物理學躍入一個嶄新的紀元。光學的研究可說是主導了近代物理學的發展。

本章我們將從日常生活中常見的一些有關光的現象說起，探討光的基本性質。

5-1  人類對光的認識： 

5-1-1 光的學說

由於光產生的一些自然現象，例如雨後的彩虹、水中的倒影，處處可見，因此人類很早就對光的現象進行觀察和研究。

戰國初期
我國戰國初期魯國人墨翟（約478-392B.C.）所著的墨子，談論了有關成影、小孔成像、平面鏡、凸面鏡和凹面鏡……等有關光的現象，是世界上光學研究的最早文獻。

古希臘
古希臘學者對於人類視覺的產生特別有興趣。他們認為光是從眼睛發出的射線，投射在物體上而感知它們　的顏色和形狀。

◎約在西元前300年，希臘人歐幾里得（Euclid，330-275B.C.）認為光是沿直線傳播，並提出了光的反射定律。

◎西元二世紀時，托勒密研究光的折射現象，精確地測量了幾種介質內入射角和折射角的對應關係。

◎大約在同一時期，羅馬人製出了透鏡，知道了它的放大和聚光的功能。

阿拉伯人阿耳哈曾
在西羅馬帝國於西元五世紀衰滅後，歐洲進入歷史上所謂的黑暗時代，科學的研究停滯不前。其後回教文化興起，學術研究的中心轉移到阿拉伯世界。

十一世紀時，阿拉伯人阿耳哈曾（965-1039）在光學的研究上有許多成就。他

◎設計實驗，證實光的直線傳播；

◎研究小孔成像和光影；探討日蝕和月蝕的成因；

◎用幾何學證明拋物面鏡能將入射光線聚集於一點；

◎對眼睛作解剖學和生理學的研究，提出新的視覺理論，認為光是由物體發出，射入眼睛才有視覺。

◎他所著作的光學全書，被譯成拉丁文，對後來歐洲的光學研究有重大的影響。

十七世紀時
十七世紀時，光學開始有了系統性的研究。
◎伽立略首先提出光速的問題，並嘗試測量光速。他發明了天文望遠鏡，拓寬了人類的視野。
◎約在同一時期荷蘭人傑生（1588-1631）發明顯微鏡，使人類得以觀察微小的世界。
◎1621年，荷蘭人司乃耳（1591-1626）經由實驗歸納出光的折射定律。
◎1675年，丹麥人隆美耳（1644-1710）從觀測木星的月蝕週期變化中，首次證實了光速是有限的，而不是如過去一般人所設想的無限大。根據他的數據，可粗算出光速為2.3×10⁸m／s。

粒子說與波動說

牛頓：牛頓可說是對光的本質進行研究的第一人。牛頓從1665年（23歲）起就開始從事光學的研究。

◎他從白光經過三稜鏡產生色散的現象中，指出白光是由數種不同顏色的色光所組成，於1672年，正式發表了光和顏色的理論。

◎他又從力學的觀點出發，建立了光的「粒子說」認為光是從光源射出的許多微粒所組成。

牛頓的粒子說不但解釋了光沿直線前進的性質，而且在理論上導出反射和折射定律，並預測光在一般介質（例如水、玻璃）中的速率要比在空氣中快。

海更士：同一時期的荷蘭人海更士，則在1678年提出了「波動說」，認為光是一種波動，就像水波或聲波的傳播一樣，也能夠圓滿解釋光的直進、反射、折射等現象，但預測光在一般介質中的速率要比在空氣中慢。

由於牛頓在學術界的巨大聲望和影響力，「波動說」處於下風，被忽視了一百多年。但也不只如此，波動需要介質才能傳遞，是當時人們的認知。可是光由太陽傳到地球，並無明顯可見的介質存在，所以也令當時的人對光的波動說產生質疑。

十九世紀時：光波理論的證據
光學理論的進一步發展。

◎1801年，英國人楊格發現光具有一般波動所特有的干涉和繞射現象，這不是「粒子說」所能解釋的。

◎1850年，法國人菲左和佛科分別獨立地測出光在水中的速率比在空氣中小。
至此，實驗的證據使光的「波動說」得以確立。

◎在1864-1873年間，馬克士威建立了電磁學的理論體系。他從理論中推導出電磁波的存在，而且計算出電磁波是以光速傳播，因此認為光是一種電磁波。

◎1888年，德國人赫茲以實驗證實了電磁波的存在。

光波傳遞的介質問題如何解決：
自然界的波傳播時都需要介質，而傳播光的介質是什麼呢？這個介質又具有什麼樣的物理特性？

在1900年以前的物理學家普遍認為光需要一種稱為乙太的物質來傳遞，並且乙太充滿在整個宇宙當中，是一個透明看不見、彈性又好、阻力又小的物質，可以想像，我們的地球就像浸泡在乙太的大海中一般。

1885年，邁克生和毛利 （莫雷）合作，想測出乙太的存在，結果是“零結果”。
         乙太存在的搜尋      http://www.hle.com.tw/bookmark/nature/07/07-01.asp

十九世紀末，馬克士威建立了電磁學的理論體系。 由電磁波理論也得知，電磁波的傳播是不需要介質的。光既然是電磁波，其傳播當然不需要介質。

二十世紀：粒子說與波動說的統合

二十世紀初科學家又發現了一些與光有關的新現象。這些現象無法用光的波動說來解釋，反而強烈地顯示出光的粒子性質。

1905年愛因斯坦延伸了光是電磁波的認識，提出「光子」的新概念。他認為電磁波是由許多「光子」所組成，光子兼具有粒子和波動的二象性質，光子的傳播不需要依靠介質。

經過兩個世紀爭論的「粒子說」和「波動說」至此被統一。愛因斯坦的理論促成了二十世紀物理學的革命性進展。

結束了沒，可以劃上句號了嗎？我們能確定完全瞭解光了嗎？瞎子摸象