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中国光学史

人类对光学(optics)的研究开始于古代。最晚于公元前700年,古埃及人与美索不达米亚人便开始磨制与使用透镜;之后前6~5世纪时古希腊哲学家与古印度哲学家提出了很多关于视觉与光线的理论;在希腊-罗马时代,几何光学开始萌芽。光学“optics”一词源自古希腊字“πτικ”,意为名词“看见”、“视见”。 中世纪时,穆斯林世界对早期光学做出许多贡献,在几何光学与生理光学(physiological optics)方面都有很大的进展。在文艺复兴时期与科学革命时期,光学开始出现戏剧性的突破,以衍射光学的出现为标志。这些与之前发展出的光学被称为“经典光学”。二十世纪发展的光学研究领域,如光谱学与量子光学,一般被称为“现代光学”。

人类对光学(optics)的研究开始于古代。最晚于公元前700年,古埃及人与美索不达米亚人便开始磨制与使用透镜;之后前6~5世纪时古希腊哲学家与古印度哲学家提出了很多关于视觉与光线的理论;在希腊-罗马时代,几何光学开始萌芽。光学“optics”一词源自古希腊字“πτικ”,意为名词“看见”、“视见”。中世纪时,穆斯林世界对早期光学做出许多贡献,在几何光学与生理光学(physiological optics)方面都有很大的进展。在文艺复兴时期与科学革命时期,光学开始出现戏剧性的突破,以衍射光学的出现为标志。这些与之前发展出的光学被称为“经典光学”。二十世纪发展的光学研究领域,如光谱学与量子光学,一般被称为“现代光学”。 [1]

很早以前,古埃及人与美索不达米亚人就知道将石英晶体磨光制成透镜,有些亚述透镜的年龄确定已达3000年,例如宁路德透镜(Nimrud lens),这是已知最早的光学透镜。这些透镜可能被用来放大影像或焦聚阳光。1995年4月,中国陕西省扶风县黄推村发掘出一件青铜凹面镜,被认为是西周中期(距今约3000年)或更早的物品,经鉴定是用于聚光生火的用具,古称为阳燧或夫燧。《周礼秋官》记载了“司氏”一官职,负责用阳燧在太阳光下取火,作为祭祀仪式的一部分。 1972年,扶风县庄白刘家村也出土了一件被断定为西周时期的青铜凹面镜。此外在陕西长安县张家坡西周墓地M170号墓、北京昌平白浮2号和3号西周墓都曾发现西周时期的青铜凸面镜。 [1]

早在公元前6至5世纪的古印度,数论派(Samkhya)和胜论派(Vaisheshika)的学者已形成了光的理论。数论派认为光是组成世间万物的五微尘(tanmatra,即“五唯”香、味、色、触、声)之一。这五种元素的粒子性并没有被特别说明,并且似乎是被作为连续状态来理解的。

另一种观点来自胜论派,他们提出了一种原子理论,认为物理世界是由非原子的以太、时间和空间所构成。最基本的原子分别是土(prthiv),水(pani),火(agni)和空气(vayu),这里的意思和通常意义上的这几种物质并不等价。这些原子结合形成双原子分子,然后进一步结合以形成更大的分子。这些实物原子被视作是运动的,这种运动似乎还被理解为非瞬时性的。他们认为光线是高速的火(tejas)原子流。当火原子以不同速度运动、以不同形式组合时,光粒子可以展现不同的特征。在公元前一世纪左右的《毗湿奴往世书》(Vishnu Purana)里,阳光被称为“太阳的七辉线”。

印度佛教徒,比如五世纪的陈那菩萨(Dignāga)和七世纪的法称(Dharmakirti),发展出了一种原子论哲学,认为组成现实世界的原子实体其实是光或能量的瞬间流动。光被认为是和能量等同的原子整体,类似于现代光子概念,但是他们把所有物质都一概视作由这些光能粒子所构成。 [2]

古希腊哲学者认为,产生视觉的基本前提是,物体与眼睛之间必须有某种物理接触。这物理接触是那时期各种视觉机制理论之间主要不同之处。进入说(intromission theory)表明,从物体表面蜕出的原子尺寸厚度的影像(eidola),持续地移动经过附近空间,进入眼睛内,成为视像。这理论有很多支持者,包括德谟克利特、伊比鸠鲁等等原子论者。这理论有两个很明显的问题:第一,眼睛的尺寸有限,怎样接受大尺寸物体的物质影像?第二,为什么只在有光源的状况才可看见物体,在黑暗里无法看见物体?

根据发射说(extramission theory),眼睛会发射出一种“焰光”或“焰流”,当焰光接触到任何物体时,眼睛会感觉到这物体,因此产生视觉。主张发射说的哲学者有毕达哥拉斯和其学生奥克麦安(Alcmaeon)等等。这理论的形成与希腊大众文化有关,希腊人对于视觉理解为,眼睛发射出的焰光会侦测物体表面。希腊人常用触觉来类比视觉。天文学者喜帕恰斯解释,从眼睛射出的焰光像一只‘视手’般地工作。

大约公元前360年,柏拉图在对话录《蒂迈欧篇》(Timaeus)里,评论镜子的宇称逆反性质,他还提出了综合了前述两种理论的“遇见说”。柏拉图认为,从眼睛发射出的焰光会与日光合并,共同形成一种具有觉察性质的介质,当这介质遇到从物体表面蜕出的粒子时,会被粒子振荡,从而促成视觉。粒子的尺寸大小与黑白对比有关──粒子越小,感觉越白,粒子越大,感觉越黑。粒子的移动速度与亮度有关──粒子越快,感觉越亮,粒子越慢,感觉越暗。

在亚里斯多德之前,对于视觉问题,只有在研究其它问题时顺便提到的只言片语,并没有任何系统性的专门研究。亚里斯多德开始仔细的定义与分析所有关于视觉的概念。他否定先前各派学者的理论。他认为在眼睛与物体之间存在某种均匀介质,这介质与进入说的附制体、发射说的焰光无关,是一种主要功能为传输视像的以太。这介质需要日光的作用才能工作,否则会变得不透明。

大约于公元前三世纪创立的斯多亚学派所提出的视觉理论是发射说的一种变版,他门主张在眼睛与物体之间的介质不是由焰光与日光组成,而是一种由焰光与空气组成的介质,称为视气。当这视气与物体直接接触时,眼睛会感觉到这物体,因此产生视觉。

公元前300年左右,欧几里得在专著《光学》(Optics)里,将视觉与几何连结在一起,创建了几何视觉理论,又发展出透视法理论。欧几里得的视觉机制理论属于“视线模型”。这模型也是一种发射说。根据这模型,从眼睛发射出的视线形成一个圆锥体,其顶点是给定视觉接受中心的眼睛,其底面给定了视域;当视线碰到物体时,眼睛会感觉到物体的存在,就好似身体碰到物体的触觉一样。从被碰视线的图样与位置,可以知道物体的形状与位置。在欧几里得之前,哲学者提出的视觉理论都是笼统的定性理论,欧几里得的数学想法将柏拉图的奥妙介质改变为笔直的视线,能够用逻辑与几何论证。

公元二世纪,托勒密在撰写的专著《光学》(Optics)里,继续先前大师欧几里得与希罗的成就,仔细分析光的反射机制,给出一套相当完整的反射理论。这理论能够分析光从平面镜、圆球面镜、圆柱面镜等等凹面形或凸面形镜子的反射。他又设计出一些实验来测试这反射理论。托勒密还规划出关于折射的实验,并且实际完成了实验。但是,他从做实验得到的数据与结论并不准确,没有给出正弦定律。在那时候,希腊学者不清楚正弦的概念。托勒密的视觉机制理论与欧几里得类似,属于视线模型。颜色是物体内秉的属性,但这属性只有在日光作用之时才会发效,而又必须被视气感觉到才能成为视觉。所以,视觉是从光源发射出的光、物体的颜色、视线,这三种实体之间相互作用的结果。托勒密的论述是古希腊光学的最高峰,对于之后的阿拉伯光学占有举足轻重的角色。 [2]

古代中国最早的光学研究可见于《墨经》。《墨经》大约成书于公元前388年,是《墨子》的一部分,由战国中后期的墨家学者编著。《墨经》由《经上》、《经说上》、《经下》、《经说下》、《大取》、《小取》六篇组成。其中《经下》和《经说下》中分别记载了八条光学经验定律以及其注释。

第一条是:“景不徙,说在改为”,解说:“景,光至,景亡;若在,尽古息。”指出光和影的关系。影子是不动的,影子变动的表象是物体和光源位置改变所造成。物体或光源移动造成光照到影子的位置,则影子消亡,新的影子。如果旧的影子仍然存在,则会一直在原处。

第二条是:“景二,说在重”,解说:“景,二光夹一光,一光者景也。”指出物体如果受两个光源照射,就会有两个影子。两个光束的重叠部分是一束更亮的光,产生的是一个影子(本影)。

第三条是:“景到,在午有端与景长,说在端。”,解说:“景,光之与人,煦若射。下者之人也高,高者之人也下。足蔽下光,故成景于上;首蔽上光,故成景于下。在远近有端与于光,故景库内也。”说出了小孔成像的现象以及性质,指出光线通过小孔(端)形成倒立的影像,倒像的大小取决于小孔的位置。这是因为光照到人是沿直线的。成的像中,人的下部在上方,人的上部在下方。脚部遮蔽了下部的光,所以成像在上部,头部遮蔽了上方的光,所以成像在下部。

第四条是:“景迎日,说在转”,解说:“景,日之光反烛人,则景在日与人之间。”说的是影子和反射的关系。光照到人身后的镜子上再反射到人身上,所以影子朝向太阳(介于人和太阳之间)。

第五条是:“景之小大,说在正远近”,解说:“景,木,景短大;木正,景长小。光小于木,则景大于木。非独小也,远近。”指出影子大小取决于物体位置和远近。物体斜放时,影子短而浓,正放时,影子长而淡。光源尺寸小于物体时,影子尺寸大于物体,反之亦然;远近也是一样的,光源离物体远则影子尺寸小,反之则尺寸大。

第六条是:“临鉴而立,景到,多而若少,说在寡区”,解说:“正鉴,景多寡、貌能、白黑、远近、正异于光。鉴景当俱,就去亦当俱,俱用北。鉴者之臭于鉴无所不鉴。景之臭无数,而必过正。故同处,其体俱,然鉴分。”描述了平面镜成像的规律。

第七条是:“鉴洼,景一小而易,一大而正说在中之外、内”,解说:“鉴,中之内,鉴者近中,则所鉴大,景亦大;远中,则所鉴,景亦小,而必正;起于中缘正而长其直也。中之外,鉴者近中,则所鉴大,景亦大;远中,则所鉴小,景亦小,而必易;合于中而长其直也。”描述了凹面镜成像的规律,成虚像和实像大小和物体距离焦点位置的关系。

第八条是:“鉴团景一”,解说:“鉴,鉴者近,则所鉴大,景亦大;其远,所鉴小,景亦小,而必正。景过正,故招。”描述了凸面镜成像的规律,说明了成像必为正像,以及其大小和物体位置的关系。

同样是在《墨经》的《经说下》里面,作者在阐述感官和认知的关系时,以视觉形成机制作为例子,认为“目以火见”(眼睛因光线的存在而能看见)。 [3]

古代中国并没有系统的光学研究。各种光学现象和光学原理的记述以及运用散见于不同的书籍中。汉代初期《淮南万毕术》中曾经记载了利用镜面反射原理制造潜望镜的方法:“取大镜高悬,置水盆于下,则见四邻矣。”而自晋代以降,以不同角度放置多个镜子,以造出重像让使用者看到自己的侧面和背面的方法,为葛洪与之后的道教、佛教信徒所重视。唐代初期陆德明的《经典释文》在注释《庄子天下》篇时则说明了潜望镜的原理。同样在《淮南万毕术》中,描述了制造冰透镜以取火的方法。

中世纪时期,穆斯林世界的作者们将希腊哲学者的光学理论重新发掘,并加以发扬光大,其中最早的有肯迪(公元801年873年),他仔细分析亚里斯多德理论与欧几里得理论的优点与缺点,并且觉得比较能够接受发射说,因为欧几里得的几何视觉模形是用于发射说。他还建议,从光亮表面的每一点会朝着所有方向发射出以直线移动的光线。

十世纪后期,为巴格达宫廷效劳的伊朗学者伊本沙尔(Ibn Sahl)在专著《论点火镜子与透镜》(On Burning Mirrors and Lenses)里最先正确地表述出折射定律。他应用这定律来计算能够将光线聚焦而不会产生几何像差的透镜的形状。这种透镜称为曲折透镜(anaclastic lens)。很可惜的是其它学者并没有注意到他的研究结果。

十一世纪初,阿拉伯学者海什木重做托勒密的折射实验。他在著作《光学书》(Kitab al-Manazir)里,从做实验得到的数据,粗略地总结出一些定则,他也没有得到正弦定律。海什木强烈驳斥发射说,光是从被视物体的表面以直线朝着各个方向发射或反射,传播经过空间后,进入眼睛。关于进入说,他认为物体并不会蜕出任何物质影像,正确的机制是,位于物体表面的每一点将光朝着各个方向发射或反射,任何射入眼睛的光会将视讯传递至眼睛。

海什木的成就在阿拉伯世界并没有得到应有的重视。大约于公元1200年,他的著作被翻译成拉丁文,书名为《透视》(Perspectiva)。直至十七世纪,这著作在欧洲是光学的标准参考书。 [3]

虽然眼镜是人类史上最重要的发明之一,历史学者至今仍旧不知道谁是发明眼镜的始祖。那时候并没有专利权法律保护智慧财产。很多新的技术都是工匠偶然灵感大发之作,而工匠时常会将这些技术以口传方式传授后人,原因可能是这些工匠不识字,或者是要保护商业秘密,把所有技术都储藏在脑袋里。尽管如此,历史学者有确实证据显示,眼镜大约是1286年在意大利的比萨或附近城镇发明,用来矫正老花眼的工具。不消几日,一行研磨与抛光的光学工业已如火如荼地发展起来,十三世纪先在威尼斯,后来又在荷兰与德国的眼镜制造中心。由于眼镜制作技术的不断改进、精益求精,连带导致复合显微镜在1595年和反射望远镜在1608年,分别在荷兰的眼镜制造中心被发明。 [3]

十七世纪早期,约翰内斯开普勒扩展他的研究领域,开始研究几何光学,这囊括了透镜、平面镜与曲面镜的反射、针孔成像、光辐照度的平方反比定律、对于像月蚀与日蚀等等天文现象的光学解释、天文视差等等论题。什么是接收影像的器官这问题,经过先前300年其他学者与工匠们的辛勤努力研究,都没能得到满意答案,因开普勒的正确推论,终于发现视网膜为接收影像的器官。望远镜发现之后,开普勒给出望远镜的工作理论,并且设计出一种改良版本,现知名为开普勒望远镜。这望远镜使用两个凸透镜来达到较高的倍率。

十七世纪中期,光学理论稳定地向前踏进。哲学者勒内笛卡尔将世界视为一个由运动与物质共同建构出的的超大机器。他否定超距作用,认为物质与物质之间只能靠实际接触来传递作用力。注意到太阳丰盛地传输光与热给行星,他推论在太阳与行星之间的空间,必弥漫着传递光与热的透明介质,称为以太。他将物质细分为三种:类似太阳的发光物质、由非常微小粒子组成的以太、不发光不透明的地球物质。笛卡儿认为光就是以太所传递的压力,能够以无限速度从一方传递到另一方。当眼睛接受到视觉时,所感受到的就是光的压力,就好似盲人靠着感受导盲手杖的压力来探知前方的状况。他建议由于以太粒子的自转,会按照彩虹的颜色顺序,出现颜色──自转的越快,颜色越红,自转的越慢,颜色越蓝。在1637年专著《屈光学》(dioptrics)里,笛卡儿对于一些光学现象,包括反射与折射,给出详细的解释。他首先发表了折射定律(即斯涅尔定律,在法国称为“笛卡儿定律”)。在推导折射定律时,他改假定光是粒子,其传播速度与介质密度呈正比。

1662年,物理学者皮埃尔德费马发表了另一种导引,从他的版本的最小作用量原理推导出同样的定律,但是费马的假定是光波的传播速度与介质密度呈反比。因此,他激烈地反驳笛卡儿的导引,认为笛卡尔的假定有误。很多历史学者都怀疑笛卡儿先阅读了斯涅尔的论文,然后调制出自己的导引,费马与惠更斯分别多次重复地谴责笛卡儿的行为缺失。

1666年,经典物理学鼻祖艾萨克牛顿进行了棱镜实验,发现普通白光是由很多种颜色的光组成,由于折射角度与光的颜色有关,棱镜可以将白光发散为彩色光谱,而第二个棱镜可以将彩色光谱重组为白光。他还通过分离出单色光,并将其照射到不同的物体上的实验,发现了单色光不会改变自身的颜色性质。牛顿还注意到,无论是反射、散射或发射,单色光都会保持同样的颜色。因此,我们观察到的颜色是物体与特定单色光相合的结果,不是物体产生颜色的结果。1704年,牛顿在著作《光学》里,详细阐述光微粒说。他认为光是由非常奥妙的微粒组成,遵守运动定律。这可以合理解释光的直线移动和反射性质。但是,对于光的折射与衍射性质,牛顿的解释并不很令人满意,他必须用以太来解释。他认为以太是一种弥漫于空间与物体之中、能够快速传播振动的弹性介质,光与以太会互相作用,当光被物质吸收时,附近的以太会被振动,形成热。由于以太传播振动,热能够从温度较高物体传导至温度较低物体。在各种介质中,以太弥漫的密度不同,因此会出现折射。由于在物体与空间的界面区域,以太密度可能变化很大,所以可能会出现一种不同的折射现象,牛顿称这为衍射。

1690年,克里斯蒂安惠更斯发表著作《光论》(Trait de la Lumiere)提出惠更斯原理:波前的每一点可以认为是产生球面次波的点波源,而以后任何时刻的波前则可看作是这些次波的包络。从他的原理,可以给出波的直线传播与球面传播的定性解释,并且推导出反射定律与折射定律;但是他并不能解释,为什么当光波遇到边缘、孔径或狭缝时,会偏离直线传播,即衍射效应。惠更斯假定次波只会朝前方传播,而不会朝后方传播。他并没有解释为什么会发生这种物理行为。惠更斯原理是一种光波动说。这假说是根据1664年罗伯特胡克的提议。胡克本人公开批评牛顿的光微粒说。两位大师争吵不休,直至胡克离世。在那时期,由于牛顿在其它物理领域的成功,他被公认是光本质争论的赢家,学术界广泛地接受牛顿光学。 [3]

1801年,托马斯杨做实验研究光的干涉与衍射。杨氏双缝实验显示出,衍射光波遵守叠加原理,这是一种光微粒说无法预测的波行为。这实验确切地证实了光的波动性质。1818年,奥古斯丁菲涅耳提出惠更斯-菲涅耳原理,在惠更斯原理的基础上假定次波与次波之间会彼此发生干涉,又假定次波的波幅与方向有关。惠更斯-菲涅耳原理能够解释光波的朝前方传播与衍射现象。

1865年,詹姆斯麦克斯韦将电磁学的理论加以整合,提出麦克斯韦方程组。这方程组能够分析电磁学的种种现象。从这方程组,他推导出电磁波方程。应用电磁波方程计算获得的电磁波波速等于做实验测量到的光波速度。麦克斯韦于是猜测光波是一种电磁波。电磁学和光学因此联结成统一理论。1888年,海因里希赫兹做实验发射并接收到麦克斯韦预言的电磁波,证实麦克斯韦的猜测正确无误。

虽然光的电磁理论可以解释一切关于光传播的现象,物理学者无法用电磁理论解释对于原子发射光与吸收光的过程。1817年,约瑟夫夫朗和斐发现,在太阳光谱里有很多黑线条。后来,1861年,古斯塔夫基尔霍夫与罗伯特本生确认了每一条黑线条所对应的化学元素,并推论这些黑线条是由在太阳大气层的那些温度较低的元素吸收造成的。物理学者无法用经典理论来解释为什么化学元素会造成这些黑线条,这涉及到原子结构问题。

1899年,马克斯普朗克正确地给出黑体辐射的模型,他假定光与物质之间只能以离散数量方式交换能量。他不清楚到底是光还是物质造成了这种离散方式。他称呼这些离散能量为量子。由于这杰出的成就,他开启了量子论的新纪元。1905年,阿尔伯特爱因斯坦发表论文,重新恢复光微粒说,主张光是由离散的粒子所组成,这粒子称为“光量子”,又称为光子;每一束频率为{\displaystyle \nu }的光波含有一群能量为{\displaystyle h\nu }的光子(其中{\displaystyle h}是普朗克常数)。应用这理论,他可以解释1887年赫兹发现的光电效应,这是光波动说无法解释的。1913年,尼尔斯玻尔表明,原子只能够发射离散数量的能量,这解释了出现于发射光谱与吸收光谱的离散线条。这些发展对于了解光与物质之间的相互作用有很大的助益,不但形成了量子光学的基础,而且对于量子力学的发展扮有关键的角色,最终促成了量子电动力学的诞生。量子电动力学能够描述所有涉及带电粒子的相互作用为光子的交换,能够完全解释物质与光之间的相互作用。这相互作用只涉及到三种事件:光子从某个位置移动到另外一个位置、电子从某个位置移动到另外一个位置、电子吸收或发射光子 [3]

激光学(laser science)是关于激光理论、设计与应用的研究领域。1960年代,由于激光的发明,激光学成为热门领域,量子光学的实际用途越加广泛,光子学(photonics)的大门也被开启。其它突破紧跟着出现,1970年代的激光二极管、传递信息的低衰减光纤、掺铒光纤放大器等等。这些发明建立了二十世纪后期的电信革命的基础,完善了互联网的硬件设施。 [3]

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物理学史

麦克斯韦方程组的历史


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