光的认识与应用

深蓝色的畅想

雨过天晴，阳光穿过大气，通过空中的水滴，路径发生偏折，射入人的眼睛，在视网膜上形成一个弧形的亮条；视锥细胞“读出”亮条的颜色信息，这时人们的大脑里便有了彩虹的形象。绚丽彩虹形成过程中最重要的参与者便是光。

光是什么？这个问题自古就吸引着人们，人们对光的认识也是逐步深入的。其中最重要或著名的有：十七世纪艾萨克·牛顿的微粒说，他认为光是由微小粒子组成的，有著作《光学》详细阐述光的微粒理论，该理论可以解释光的直线传播与反射、折射现象；之后克里斯蒂安·惠更斯有波动说著作《光的专著》问世，此理论可以解释折射、反射以及多束光线相交互不影响的现象。微粒说和波动说在历史上有过激烈的争论，但由于牛顿声望太高，微粒说一时占据了主导地位。十九世纪初，托马斯·杨进行了著名的双缝实验，发现了光的干射现象，否定了牛顿的经典光粒子。

十九世纪中叶，迈克尔·法拉第与詹姆斯·麦克斯韦关于电磁现象的研究，总结出了电磁理论。麦克斯韦发现电磁波的速度与光速相等，据此提出了光的电磁理论。其后，海因里希·赫兹从实验上证实了电磁波的存在，其传播速度与光速相同，同时也可以产生反射、折射、干射等现象，由此实验上证实了光是一种电磁波。然而，赫兹于1887年又发现了光电效应，但当时的电磁理论无法解释此效应。1900年，马克斯·普朗克提出“量子”概念；之后，阿尔伯特·爱因斯坦提出“光量子”假设：光既是粒子又是波，即“波粒二象”，解释了光电效应。

现代理论认为光是一种在可见光谱范围内（波长400-700纳米）的电磁波，具有波粒二象性。光在均匀透明介质中沿直线传播；遇到另一介质时返回原介质发生反射现象；穿过不同介质时光线会发生偏折，为折射现象。同时，光还可以发生干射与衍射等现象。真空中的光速是一个常数，为299792458米每秒。狭义相对论认为光速是物质运动与信息传播的速度上限。

整体而言，人类所需的能源大部分来自于太阳，太阳通过光将能量传至地表，这是地球生物起源与繁荣的一个条件。可以说光是人类诞生的基础，今天人类已经掌握了光的原理并可以将其利用。

利用光的折射与反射现象，人们发明了眼镜、望远镜、显微镜、相机等。作为能量的一种形式，人们发明了太阳能热水器，太阳能电池板等。另外，研究人员利用激光（受激辐射光放大）冷却来捕获原子，以此精确测定原子参数，华人科学家朱棣文因在此方面的贡献获得了1997年的诺贝尔物理学奖。近几十年来，激光由于其发散度小、功率高、相干性好等特点被广泛利用，如激光切割、激光测距、激光雷达、激光武器、全息摄影等。同时，人们把激光限制在光纤内部，由此发展出的光纤通信如今也十分常见，华裔科学家高锟于2009年因对光纤通信的贡献被授予诺贝尔物理学奖。