光的科學(xué)
光是人類眼睛可以看見的一種電磁波，也稱可見光譜。在科學(xué)上的定義，光是指所有的電磁波譜。光是由光子為基本粒子組成，具有粒子性與波動性，稱為波粒二象性。光可以在真空、空氣、水等透明的物質(zhì)中傳播。對于可見光的范圍沒有一個明確的界限，一般人的眼睛所能接受的光的波長在400-700毫米之間。人們看到的光來自于太陽或借助于產(chǎn)生光的設(shè)備，包括白熾燈泡、熒光燈管、激光器、螢火蟲等。
光是地球生命的來源之一。光是人類生活的依據(jù)。光是人類認(rèn)識外部世界的工具。光是信息的理想載體或傳播媒質(zhì)。因為光是人類生存不可或缺的物質(zhì)，光的成語非常多，也有同名的歌曲。
1 光的奧秘
蘇格蘭物理學(xué)家詹姆士·克拉克·——19世紀(jì)物理學(xué)界的巨人之一的研究成果問世，物理學(xué)家們才對光學(xué)定律有了確定的了解。從某些意義上來說，麥克斯韋正是邁克爾·法拉第的對立面。法拉第在試驗中有著驚人的直覺卻完全沒有受過正式訓(xùn)練，而與法拉第同時代的麥克斯韋則是高等數(shù)學(xué)的大師。他在劍橋大學(xué)上學(xué)時擅長數(shù)學(xué)物理，在那里艾薩克·牛頓于兩個世紀(jì)之前完成了自己的工作。
牛頓發(fā)明了微積分。微積分以“微分方程”的語言來表述，描述事物在時間和空間中如何順利地經(jīng)歷細(xì)微的變化。海洋波浪、液體、氣體和炮彈的運動都可以用微分方程的語言進(jìn)行描述。麥克斯韋抱著清晰的目標(biāo)開始了工作——用精確的微分方程表達(dá)法拉第革命性的研究結(jié)果和他的力場。
麥克斯韋從法拉第電場可以轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌銮曳粗嗳贿@一發(fā)現(xiàn)著手。他采用了法拉第對于力場的描述，并且用微分方程的精確語言重寫，得出了現(xiàn)代科學(xué)中最重要的方程組之一。它們是一組8個看起來十分艱深的方程式。世界上的每一位物理學(xué)家和工程師在研究生階段學(xué)習(xí)掌握電磁學(xué)時都必須努力消化這些方程式。
隨后，麥克斯韋向自己提出了具有決定性意義的問題：如果磁場可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶觯⑶曳粗嗳唬侨羲鼈儽挥肋h(yuǎn)不斷地相互轉(zhuǎn)變會發(fā)生什么情況？麥克斯韋發(fā)現(xiàn)這些電—磁場會制造出一種波，與海洋波十分類似。令他吃驚的是，他計算了這些波的速度，發(fā)現(xiàn)那正是光的速度！在1864年發(fā)現(xiàn)這一事實后，他預(yù)言性地寫道：“這一速度與光速如此接近，看來我們有充分的理由相信光本身是一種電磁干擾。”
這可能是人類歷史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。有史以來第一次，光的奧秘終于被揭開了。麥克斯韋突然意識到，從日出的光輝、落日的紅焰、彩虹的絢麗色彩到天空中閃爍的星光，都可以用他匆匆寫在一頁紙上的波來描述。今天我們意識到整個電磁波譜——從電視天線、紅外線、可見光、紫外線、X射線、微波和γ射線都只不過是麥克斯韋波，即振動的法拉第力場。根據(jù)愛因斯坦的相對論，光在路過強引力場時，光線會扭曲。
2 光的速度
真空中的光速是宇宙中最快的速度，在物理學(xué)中用c表示。光在真空中1s能傳播299792000m，也就是說，真空中的光速為c=2.99792×10^8m/s。
光在其他各種介質(zhì)的速度都比在真空中的小。空氣中的光速大約為2.99792000×10^8m/s。在我們的計算中，真空或空氣中的光速取為c=3×10^8m/s.(最快，極限速度）光在水中的速度比真空中小很多，約為真空中光速的3/4；光在玻璃中的速度比在真空中小的更多，約為真空中光速的2/3。如果一個飛人以光速繞地球運行，在1s的時間內(nèi)，能夠繞地球運行7.5圈；太陽發(fā)出的光，要經(jīng)過8min到達(dá)地球，如果一輛1000km/h的賽車不停地跑，要經(jīng)過17年的時間才能跑完從太陽到地球的距離。
光速取代了保存在巴黎國際計量局的鉑制米原器被選作定義“米”的標(biāo)準(zhǔn)，并且約定光速嚴(yán)格等于299,792,458米/秒，此數(shù)值與當(dāng)時的米的定義和秒的定義一致。后來，隨著實驗精度的不斷提高，光速的數(shù)值有所改變，米被定義為1/299,792,458秒內(nèi)光通過的路程,光速用“c”來表示。
3 光的分類
光按照來源分為人造光和自然光。自身發(fā)光的物體稱為光源，光源分冷光源和熱光源。
光按照科學(xué)研究分為三類：
第一種是熱效應(yīng)產(chǎn)生的光，太陽光就是很好的例子，此外蠟燭等物品也都一樣，此類光隨著溫度的變化會改變顏色。
第二種是原子發(fā)光，熒光燈燈管內(nèi)壁涂抹的熒光物質(zhì)被電磁波能量激發(fā)而產(chǎn)生光，此外霓虹燈的原理也是一樣。原子發(fā)光具有獨自的基本色彩。
第三種是同步加速器（synchrotron）發(fā)光，同時攜帶有強大的能量，原子爐發(fā)的光就是這種，但是我們在日常生活中幾乎沒有接觸到這種光的機會。
光按照光束特性分為普通光和激光
普通光：一般情況下，光由許多光子組成，在熒光（普通的太陽光、燈光、燭光等）中，光子與光子之間，毫無關(guān)聯(lián)，即波長不一樣、相位不一樣，偏振方向不一樣、傳播方向不一樣，就象是一支無組織、無紀(jì)律的光子部隊，各光子都是散兵游勇，不能做到行動一致。
激光：激光光束中，所有光子都是相互關(guān)聯(lián)的，即它們的頻率（或波長）一致、相位一致、偏振方向一致、傳播方向一致。激光就好像是一支紀(jì)律嚴(yán)明的光子部隊，行動一致，因而有著極強的戰(zhàn)斗力。這就是為什么許多事情激光能做，而陽光、燈光、燭光不能做的主要原因。
光按照光譜分為：紅外光、可見光、紫外光。人類肉眼所能看到的可見光只是整個電磁波譜的一部分，據(jù)統(tǒng)計，人類感官收到外部世界的總信息中，至少90%以上通過眼睛……。電磁波之可見光譜范圍大約為390～760nm(1nm=10^-9m=0.000000001m)，有實驗證明光就是電磁輻射，這部分電磁波的波長范圍約在紅光的0.77微米到紫光的0.39微米之間。波長在0.77微米以上到1000微米左右的電磁波稱為“紅外線”。在0.39微米以下到0.04微米左右的稱“紫外線”。紅外線和紫外線不能引起視覺，但可以用光學(xué)儀器或攝影方法去量度和探測這種發(fā)光物體的存在。所以在光學(xué)中光的概念也可以延伸到紅外線和紫外線領(lǐng)域，甚至X射線均被認(rèn)為是光，而可見光的光譜只是電磁光譜中的一部分。
人眼對各種波長的可見光具有不同的敏感性。實驗證明，正常人眼對于波長為555納米的黃綠色光最敏感，也就是這種波長的輻射能引起人眼最大的視覺，而越偏離555nm的輻射，可見度越小。
4 光的傳播
當(dāng)一束光投射到物體上時，會發(fā)生反射、折射、干涉以及衍射等現(xiàn)象。
光線在均勻同種介質(zhì)中沿直線傳播。
光遇到水面、玻璃以及其他許多物體的表面都會發(fā)生反射。例：垂直于鏡面的直線叫做法線；入射光線與法線的夾角叫做入射角；反射光線與法線的夾角叫做反射角。在反射現(xiàn)象中，反射光線、入射光線和法線都在同一個平面內(nèi)；反射光線、入射光線分居法線兩側(cè)；反射角等于入射角。這就是光的反射定律。如果讓光逆著反射光線的方向射到鏡面，那么，它被反射后就會逆著原來的入射光的方向射出。這表明，在反射現(xiàn)象中，光路是可逆的。凹凸不平的表面（如白紙）會把光線想著四面八方反射，這種反射叫做漫反射。
光線從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時，傳播方向發(fā)生偏折，這種現(xiàn)象叫做光的折射。如果射入的介質(zhì)密度大于原本光線所在介質(zhì)密度，則折射角小于入射角。反之，若小于，則折射角大于入射角。若入射角為0，折射角為零，屬于反射的一部分。但光折射還在同種不均勻介質(zhì)中產(chǎn)生，理論上可以從一個方向射入不產(chǎn)生折射，但因為分不清界線且一般分好幾個層次又不是平面，故無論如何看都會產(chǎn)生折射。如從在岸上看平靜的湖水的底部屬于第一種折射，但看見海市蜃樓屬于第二種折射。凸透鏡凹透鏡這兩種常見鏡片所產(chǎn)生效果就是因為第一種折射。
5 光的色散
復(fù)色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象叫做光的色散。色散可以利用棱鏡、光柵、干涉儀等儀器來實現(xiàn)。牛頓在1666年最先利用三棱鏡觀察到光的色散,把白光分解為彩色光帶(光譜).色散現(xiàn)象說明光在媒質(zhì)中的速度(或折射率n=c/v)隨光的頻率而變.任何介質(zhì)的色散均可分正常色散和反常色散兩種。
白光是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等各種色光組成的叫做復(fù)色光。紅、橙、黃、綠等色光叫做單色光。讓一束白光射到玻璃棱鏡上，光線經(jīng)過棱鏡折射以后就在另一側(cè)面的白紙屏上形成一條彩色的光帶，其顏色的排列是靠近棱鏡頂角端是紅色，靠近底邊的一端是紫色，中間依次是橙黃綠藍(lán)靛，這樣的光帶叫光譜。光譜中每一種色光不能再分解出其他色光，稱它為單色光。由單色光混合而成的光叫復(fù)色光。自然界中的太陽光、白熾電燈和日光燈發(fā)出的光都是復(fù)色光。
6 反射與色彩
在光照到物體上時，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收。透過的光決定透明物體的顏色，反射的光決定不透明物體的顏色。不同物體，對不同顏色的反射、吸收和透過的情況不同，因此呈現(xiàn)不同的色彩。比如一個黃色的光照在一個藍(lán)色的物體上，那個物體顯示的是黑色，因為藍(lán)色的物體只能反射藍(lán)色的光，而不能反射黃色的光，所以把黃色光吸收了，就只能看到黑色了。但如果是白色的話，就反射所有的色。
7 光的實質(zhì)
光到底是什么？是一個值得研究，和必需研究的問題。當(dāng)今物理學(xué)院就已經(jīng)又達(dá)到了一個瓶頸，即相對論與量子論的沖突，光的本質(zhì)是基本微粒還是像聲音一樣的波（若是波又在什么介質(zhì)中傳播）對未來研究具有指導(dǎo)性作用。
目前比較合理的觀點是光既是一種粒子同時又是一種波，具有波粒二象性，就像水滴和水波的關(guān)系。
