光的認識與應用

雨過天晴，陽光穿過大氣，通過空中的水滴，路徑發生偏折，射入人的眼睛，在視網膜上形成一個弧形的亮條；視錐細胞“讀出”亮條的顏色信息，這時人們的大腦里便有了彩虹的形象。絢麗彩虹形成過程中最重要的參與者便是光。

光是什麼？這個問題自古就吸引著人們，人們對光的認識也是逐步深入的。其中最重要或著名的有：十七世紀艾薩克·牛頓的微粒說，他認為光是由微小粒子組成的，有著作《光學》詳細闡述光的微粒理論，該理論可以解釋光的直線傳播與反射、折射現象；之後克里斯蒂安·惠更斯有波動說著作《光的專著》問世，此理論可以解釋折射、反射以及多束光線相交互不影響的現象。微粒說和波動說在歷史上有過激烈的爭論，但由於牛頓聲望太高，微粒說一時佔據了主導地位。十九世紀初，托馬斯·楊進行了著名的雙縫實驗，發現了光的干射現象，否定了牛頓的經典光粒子。

十九世紀中葉，邁克爾·法拉第與詹姆斯·麥克斯韋關於電磁現象的研究，總結出了電磁理論。麥克斯韋發現電磁波的速度與光速相等，據此提出了光的電磁理論。其後，海因里希·赫茲從實驗上證實了電磁波的存在，其傳播速度與光速相同，同時也可以產生反射、折射、干射等現象，由此實驗上證實了光是一種電磁波。然而，赫茲於1887年又發現了光電效應，但當時的電磁理論無法解釋此效應。1900年，馬克斯·普朗克提出“量子”概念；之後，阿爾伯特·愛因斯坦提出“光量子”假設：光既是粒子又是波，即“波粒二象”，解釋了光電效應。

現代理論認為光是一種在可見光譜範圍內（波長400-700納米）的電磁波，具有波粒二象性。光在均勻透明介質中沿直線傳播；遇到另一介質時返回原介質發生反射現象；穿過不同介質時光線會發生偏折，為折射現象。同時，光還可以發生干射與衍射等現象。真空中的光速是一個常數，為299792458米每秒。狹義相對論認為光速是物質運動與信息傳播的速度上限。

整體而言，人類所需的能源大部分來自於太陽，太陽通過光將能量傳至地表，這是地球生物起源與繁榮的一個條件。可以說光是人類誕生的基礎，今天人類已經掌握了光的原理並可以將其利用。

利用光的折射與反射現象，人們發明了眼鏡、望遠鏡、顯微鏡、相機等。作為能量的一種形式，人們發明了太陽能熱水器，太陽能電池板等。另外，研究人員利用激光（受激輻射光放大）冷卻來捕獲原子，以此精確測定原子參數，華人科學家朱棣文因在此方面的貢獻獲得了1997年的諾貝爾物理學獎。近幾十年來，激光由於其發散度小、功率高、相干性好等特點被廣泛利用，如激光切割、激光測距、激光雷達、激光武器、全息攝影等。同時，人們把激光限制在光纖內部，由此發展出的光纖通信如今也十分常見，華裔科學家高錕於2009年因對光纖通信的貢獻被授予諾貝爾物理學獎。