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專題報導:光的本質

7 月 04, 2013 Einstein 天文資料庫, 專題文章 在〈專題報導:光的本質〉中留言功能已關閉


沒有光,我們就無法看東西,更不會有天文學。那光到底是甚麼東西?這個問題困擾了科學家上千年的時間,有人說光是波動、也有人說光是粒子,究竟誰是誰非?本文將從歷史角度講述這個問題。

在公元前500年,恩培多克勒提出,光是由四大元素中的火所形成(四大元素:風、火、水、土),他認為我們之所於能看見物體,是由於從我們眼睛中湧出的光接觸到這些物體 ,情況就有如X-Men中的鐳射眼般,這個理論被後人稱為射視發射論。但這個理論受到了很大的質疑,其中歐幾里德問了一個很有意思的問題:為何我們張開眼睛即可見星星?當時的解答為:眼死光以極速傳播。這個答案看似很無聊,但我們已隱約看到了當時人們已認為光速十分快。

歐幾里德是一位偉大的數學家,他所著的《幾何完本》創立了歐氏幾何的基礎,到今天仍深深的影響著我們。而他亦將幾何學的概念引入光學中,開創出後世稱為幾何光學的學科,當中研究了光線的傳播路徑、折射與反射等表現。

時間轉眼跳到16世紀(公元5世紀至15世紀為歐洲黑暗時代,科學研究基本上完全停頓),光學、天文學等的研究又再次復興起來,而今次則是對光的本質進行了一場長達數百年的爭論。當時光粒子說和光波動說各有它們的支持者,雙方各自提出理據支持自己的學說,其中笛卡兒認為光是發光體引發在介質中傳播的機械波,又將光與聲音作類比。至於伽燊迪則認為光是由粒子組成,由發光體將光粒子向四周發射,而且由於是粒子的關係,傳送時無需傳播介質。

而牛頓亦認為光是粒子,理據為波動經過障礙物會有繞射,但光沒有。

所謂繞射,是波動的一種特性,指一個波經過障礙物時傳播方向改變的現象。但當格里馬第在1665年首次觀察到光的繞射時,牛頓仍然為光粒子說護航,認為光粒子會在以太中產生局部波動(localized wave),所以出現繞射現象。

其後惠更斯提出了自己的波動理論 ,他認為光在以太中以波動形式傳播,而光波可互相干涉,即兩個同調(或同源)的波相遇後會產生疊加或抵消的現象,引致出現一光一暗的排列,惠更斯進一步推論光是橫波,會出現偏振現象,即振動方向對於傳播方向的不對稱性,而在光的偏振面上,可以有各種偏振方向的光矢量,可以是線、橢圓或圓形。


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Einstein

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