本文為您介紹人類認識光的歷史，從光到光學的過程。

每天清晨我們被第一縷陽光喚醒，映入眼簾的是色彩斑斕的世界；白天我們沐浴陽光，夜晚我們的城市被七彩霓虹裝點得絢麗多彩；植物利用光合作用提供了哺育世界的食物……正因為光與我們的生活密切相關，人們在2000多年以前就對其進行了研究，并發展成為一門研究“光”和“視”的科學——光學。

一、什么是光學？

光學是研究光的發生、傳播、接收和顯示等性質以及光與物質相互 作用的科學，是物理學的一個重要組成部分 ，也是與其它應用技術緊密相關的學科。隨著研究的深入，光學不再局限于人的感知和視覺范圍，研究范圍涉及微波、紅外、可見光、紫外線、X射線的寬廣波段范圍內的電磁輻射。從光學的發展歷史來看，光學大致可分為幾何光學、波動光學和量子光學幾個 分支。

圖1-電磁波譜

二、什么是光？

2.1、古人對光的認識

由于光與人類的生活關系太密切了，所以人類憑借 日常經驗很早就積累了許多光的知識。公元前400多年，中國的《墨經》記錄了世界上 最早的 光學知識，其中有影的定義和生成，光的直線傳播、小孔 成像實驗、平面鏡、凹面鏡、凸面鏡中物像關系等多條記載。無論從時間上還是就科學性而言，《墨經》都稱得上是世界上最早的幾何光學著作。

圖2-《墨經》和小孔成像

古希臘人對光同樣充滿好奇，畢達哥拉斯最早把光解釋為光源向四周發射的一種東西，遇到障礙物即被攤開，如果被彈入人眼，人就會感覺到最后一個將光攤開的障礙物。

2.2、光學起步

對光的本性的探討是從17世紀開始的，并展開了曠日持久的論戰。主要可以分為兩種學說，一個是以牛頓為代表的微粒說——光是發光物體射出的大量微粒，另一個 是以惠更斯為代表的波動說——光是發光物體發出的波動，由于牛頓的微粒說更好地解釋了光在真空或均勻介質 中是沿直線傳播，光在不同介質的界面上的被吸收、折射和反射等光的現象，再加上牛頓當時再科學界的為王，微粒說占據了有利地位，并統治了整個18世紀，這導致了光學的停滯不前。

圖3-物理學家牛頓

直到19世紀初，托馬斯·楊成功進行了雙縫干涉實驗，又一次扛起了波動說的大旗，菲涅耳在理論上補充了惠更斯原理，波動光學初步形成。不過，在那個階段討論的主要是光的傳播，很少涉及光的發射和吸收，至于光與物質相互作用問題還沒怎么研究過，許多現象尚未發現。

圖4-托馬斯·楊及雙縫干涉實驗

2.3、波動光學的飛速發展

19世紀末到20世紀初是物理學發生偉大革命的時代。19世紀后期，隨著對電磁學的深入研究，人們初步認識到光其實就是一種電磁波。1872年，麥克斯韋用四個方程推論出電磁波存在且以光速傳播，我們看到的可見光不過是一種波長在一定范圍內的電磁波。這個結論在1888年被赫茲的一系列實驗所證實。

圖5-麥克斯韋方程組

2.4、新的光的微粒說誕生

至此，波動說完全占了上風，似乎已經達到了完美。然而歷史的車輪總是滾滾向前。1900年，普朗克提出了輻射的量子論。他把光的能量看成不連續的、一份一份的，每一份叫做能量的“量子”，這在當時是絕大部分科學家所不能接受的，就連普朗克自己也因為引入能量量子而惴惴不安。年輕而大膽的愛因斯坦不僅接受了能量量子的概念，而且成功用于解釋光電效應，他把光的微粒叫做“光子”。新的光的微粒說——光的量子說由此誕生。

圖6-光電效應實驗

2.5、光的波粒二象性確立

1924年，法國的德布羅意提出了波粒二象性的概念，也就是說光即是粒子也是波，光具有波粒二象性，幾乎所有的微觀例子或者電磁波都是如此。

此后，光學進入了一個贊新的時代，成為近代物理學和現代科學技術前沿的重要組成部分，其中最重要的成就就是激光的誕生。今天我們的生活離不開激光（例如，CD、指示筆、光纖通訊等），激光還使光學的研究和應用進入了一個新的時期。