光線

**光**通常指的是人類眼睛可以見到的電磁波（可見光），視知覺就是對於可見光的知覺。可見光只是電磁波譜上的某一段頻譜，一般是定義為波長介於 400 至 700 奈米（nm）之間的電磁波，也就是波長比紫外線長，比紅外線短的電磁波。有些資料來源定義的可見光的波長範圍也有不同，較窄的有介於 420 至 680nm，較寬的有介於 380 至 800nm。在電磁波中，電場與磁場互相垂直。

而有些非可見光也可以被稱為光，如紫外光、紅外光、X 光。

光是一種電磁波，光在楊氏雙縫實驗中體現波繞射的特性。在光電效應中，光是由光子的基本粒子組成的粒子流。因為光同時具有粒子性與波動性，所以說光具有「波粒二象性」。

## 研究歷史

光的本性問題很早就引起了人們的關注。

### 印度教和佛教的理論

早在公元前 6 至 5 世紀的古印度，數論派（Samkhya）和勝論派（Vaisheshika）的學者已形成了光的理論。數論派認為光是組成世間萬物的五微塵（tanmatra，即「五唯」—— 香、味、色、觸、聲）之一。這五種元素的粒子性並沒有被特別說明，並且似乎是被作為連續狀態來理解的。

另一種觀點來自勝論派，他們提出了一種原子理論，認為物理世界是由非原子的以太、時間和空間所構成。最基本的原子分別是土（prthivı），水（pani），火（agni）和空氣（vayu），這裡的意思和通常意義上的這幾種物質並不等價。這些原子結合形成雙原子分子，然後進一步結合以形成更大的分子。這些實物原子被視作是運動的，這種運動似乎還被理解為非瞬時性的。他們認為光線是高速的火（tejas）原子流。當火原子以不同速度運動、以不同形式組合時，光粒子可以展現不同的特徵。在公元前一世紀左右的《毗濕奴往世書》（Vishnu Purana）裡，陽光被稱為「太陽的七輝線」。

印度佛教徒，比如五世紀的陳那菩薩（Dignāga）和七世紀的法稱（Dharmakirti），發展出了一種原子論哲學，認為組成現實世界的原子實體其實是光或能量的瞬間流動。光被認為是和能量等同的原子整體，類似於現代光子概念，但是他們把所有物質都一概視作由這些光能粒子所構成。

### 希臘和泛希臘時期的理論

### 進入說

光是一種粒子，進入到眼球便能看到。

### 發射說

在公元前 5 世紀，恩培多克勒（Empedocles）提出假設，認為萬物由火、空氣、土、水四種元素構成。他相信人類的眼睛是阿佛洛狄忒（Aphrodite）以這四種元素所造，並且阿佛洛狄忒在人眼中燃炎，從而照亮外物形成視覺。但如果真是這樣，那無論晝夜人都該有同等視力。對於這個問題，恩培多克勒假想了一種太陽光線和視線互感的機制來加以解釋。

在公元前 300 年左右，歐幾里得在著作《光學》（Optica）中寫到了他對光性質的研究。歐幾里得設想光線筆直傳播，並用數學方法研究並闡述了反射定律。他質疑視覺產生於眼睛內發光的觀點，因為它不能解釋為什麼在夜晚眨一下眼睛後還能立刻看到星星，除非眼睛發出的光以極速傳播。

在公元前 55 年，羅馬人盧克萊修將早期希臘原子論者的觀點進一步作了發揚，即使和之後的粒子理論相近似，盧克萊修的理論在當時並沒有被廣泛接受。他寫道：「太陽的光和熱都是由微小原子組成，發射後將沒有損耗地穿過空氣介質背離光源前進」（《關於宇宙的本質》）。

### 物理學理論

勒內・笛卡爾（1596–1650）認為光是發光物的一種機械屬性，這不同於海什木（Ibn al-Haytham）和威特羅（Witelo）的「形態」說，也不同於羅吉爾・培根，格羅斯泰斯特（Grosseteste）和克卜勒的「種類」說。他在 1637 年發表的光折射理論中，類比聲波的傳播行為，錯誤地得出了光速和傳播介質密度成正比的結論。雖然笛卡爾在相對速度上判斷錯誤，但他正確地假設了光的波狀性質，還成功地用不同介質下光速的差異解釋了折射現象。雖然笛卡爾並不是第一個嘗試用機械分析解釋光的人，但他明確堅持光僅是發光體和傳播介質的機械波性質，而因此使他的理論被視作現代物理光學的起點。

### 波粒之爭

在 1666 年，牛頓發現了光的色散現象。

在 1678 年，惠更斯提出光是一種波動。

在 1690 年，惠更斯發表了《光論》，提出了惠金斯原理，但是在當時得到兩列相干光源很不容易，所以波動說很長時間內沒有被認可證明。

在 1704 年，牛頓發表了《光學》，說明光說以太中傳播的振動，當中說明因為光是粒子，所以光可以反射，而粒子在空中和水中也有不同的速度，所以光可以折射，這讓他一舉成為了光粒學的代表人物。

1803 年，28 嵗的英國物理學家托馬斯・楊首先用濾波片將光分爲一種單色光，再將光通過單縫去把光擴散，這樣便可用雙縫去確保是有兩個同相頻率的波源，在實驗中，光出現了波的干涉現象，更寫了書反對牛頓的波粒說。但是很可惜，當時人們都普遍支持牛頓，所以書只賣出來一本。他的波動說理論與當時由大名鼎鼎的牛頓所支持的波粒說相比，實在是大巫見小巫，在此之後便去學習語言。

1817 年時，支持光粒學的學者聯合法國科學院舉辦一場比賽，目的是爲了研究出反對光是波動。29 嵗的菲尼爾提出一種計算方法，認爲光是一種波。帕松是一名支持波粒學法國數學家，他通過一些計算發現，若在光源前面放一個圓形的障礙物，在波動學這個理論中中間應出現一個光點，但在他的實驗之中卻無法出現光點。經過爭論後，科學家們重複做多一次實驗，最後發現了中間是有光點，這個發現也被稱為帕松亮斑。

### 光微粒說

法國數學家皮埃爾・伽桑狄（Pierre Gassendi）提出了他的光粒子假設，他的這一假設在他死後發表，並且在艾薩克・牛頓早年引起了他的興趣。牛頓本人傾向於笛卡爾的實空理論（plenum）。他在他 1675 年的《解釋光屬性的假說》（An Hypothesis explaining the Properties of Light）中提到，光是由光源向四面八方發射的微粒組成。牛頓反對光波動說的一個理由是，波會繞開障礙物，而光卻是直線傳播的。但對于格里馬爾迪（Francesco Grimaldi）觀察到的繞射現象，牛頓甚至也稍作妥協，解釋為光粒子移動於以太所產生的局部波造成。

牛頓的理論和光的反射現象相吻合，但對於折射現象，牛頓錯誤地認為是因為進入高密度介質時所受引力更大使光加速而形成的。牛頓在 1704 年發表了他集大成的《光學》一作。牛頓本人的權威使光的粒子理論在 18 世紀甚囂塵上。但皮埃爾 - 西蒙・拉普拉斯（Laplace）反駁說，人的密度既然這麼大，那光幾乎不可能逃脫人的引力了。用現在的說法，人將成為一個黑洞。

### 光波動說

在 1660 年代，羅伯特・虎克發表了他的光波動說。克里斯蒂安・惠更斯在 1678 年得出了他自己的波動學說，並在 1690 年發表在他的《光的專著》（Treatise on light）裡。他認為光線在一個名為發光以太（Luminiferous ether）的介質中以波的形式四射，並且由于波並不受重力影響，他假設光會在進入高密度介質時減速。光波動說預言了 1800 年托馬斯・楊發現的干涉現象以及光的偏振性。楊用繞射實驗展現了光的波動性特徵，還提出顏色是由光波波長不同所致，用眼睛的三色受體解釋了色覺原理。

萊昂哈德・歐拉也是光波動說的支持者之一，他在《光和色彩的新理論》（Nova theoria lucis et colorum）中闡述了他的這一觀點，他認為波理論更容易解釋繞射現象。

之後，奧古斯丁・菲涅耳也獨立完成了他的波動理論的建立，並於 1817 年上遞給法國科學院。西莫恩・帕松完善了菲涅耳的數學證明，給了光粒子說致命一擊。在 1821 年，菲涅耳使用數學方法使光的偏振在波動理論上得到了唯一解釋。

但波動理論的弱點在於，波，類似於聲波，傳播需要介質。雖然曾有過發光以太的假想，但這也因為 19 世紀邁克生－莫雷實驗陷入了強烈的質疑。

牛頓推測光速在高密度下變高（而實際光速在高密度介質變低），惠更斯和其他人覺得正相反。但當時並沒有準確測量光速的條件。1802 年，托馬斯・楊做實驗發現，當光波從較低密度介質移動進入較高密度介質之後，光波的波長會變短，他因此推論光波的運動速度會降低。。1850 年，萊昂・傅科的實驗得到了和波動理論同樣的結果。

### 電磁理論

1845 年，麥可・法拉第發現當偏振光穿過施加了磁場的透明介質時，會發生偏振旋轉。這後來被稱為法拉第效應，它首次發現了光和電磁的關係。在 1846 年，他推測光可能是沿磁場線衍生的某種形式的擾動。次年，法拉第提出光是一種高頻電磁振動，不需要介質也能衍生。

法拉第的研究啟發了詹姆斯・馬克士威研究電磁輻射和光。馬克士威發現自生電磁波會以恆定速度傳播，而且這個速度恰好等於光速。正是從這一點出發，馬克士威得出了光是一種電磁波的結論。20 多年後，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，測得電磁波的傳播速度的確與光速相同，同時電磁波也能夠產生反射、折射、干涉、繞射、偏振等現象，從實驗中證明了光是一種電磁波。

### 粒子理論的新生

波動理論幾乎在所有光學和電磁學的現象中得到了驗證，這是 19 世紀物理學的一個重大成果。但到 19 世紀末期，有一些實驗現象要不是無法解釋，就是違反當時理論，其中一個爭議即為光電效應。實驗數據的結果指出，放出的電子能量與光線的頻率成正比，而非強度。更特別的是，當光線小於某一個最小頻率後，無論再加大強度，都不會產生感應電流，這現象似乎是違反了波理論。許多年來，物理學家們嘗試尋找答案都無功而返，直到 1905 年愛因斯坦讓粒子理論重回歷史舞台。由於太多的實驗現象為波動理論佐證，使得愛因斯坦的想法，在當時的物理學界受到了巨大質疑。然而愛因斯坦對光電效應的解釋最終得到了認同，並開啟了波粒二象性和量子力學兩扇大門。

## 特性

光是能量的一種傳播方式。光源所以發出光，是因為束縛於光源原子裏的電子的運動。有三種方式：熱運動、躍遷輻射、受激輻射。前者為生活中最常見的，比如電燈和火焰；後者多應用於雷射。

另外，光波本身就是從原子、分子內輻射出的高頻電磁場，因此光波可以通過加速帶電粒子產生。如同步輻射光、軔致輻射、切倫科夫輻射、自由電子雷射等。波動光學與非線性光學將發光看做原子內部因吸收外界能量而導致其電偶極矩發生週期變化的結果。幾何光學、波動光學、非線性光學與同步輻射光等理論完全可以用古典電動力學中電磁場理論的相關內容來解釋。

### 直進性

光沿直線傳播，簡言之光是直線運行的，也不需要任何介質，但在其他物體的重力場的影響下，光的傳播路徑會發生偏折，最顯著的就是黑洞的影響 (參見引力透鏡)

### 反射

光線遇另一介質反射的情況是指入射光反回原介質的情形，反射定律可以下列三原則來說明：

1. 反射線、入射線與法線在同一平面上。
2. 反射線與入射線在法線的兩側。
3. 反射角等於入射角：

　
: : $\angle \theta _{i}=\angle \theta _{r}$

### 折射

光從不同密度的介質穿過時發生的偏折現象為折射，不同介質可以出現不同的折射角，由該介質的折射率 $n={\tfrac {\sin \angle \theta _{1}}{\sin \angle \theta _{2}}}$ 來決定，並遵從斯涅爾定律：

　
: $n_{1}\sin \angle \theta _{1}=n_{2}\sin \angle \theta _{2}$

光速在不同介質中亦會轉變：

　
: $v_{2}=v_{1}{\tfrac {\sin \angle \theta _{2}}{\sin \angle \theta _{1}}}$

當 $\angle \theta _{2}=90^{\circ }$ 時，折射光沿著介面運行，這時 $\angle \theta _{1}$ 稱為臨界角 $(\angle \theta _{c})$ ；當 $\angle \theta _{1}>\angle \theta _{c}$ 時，入射光則完全反射回原介質，稱為全內反射。

### 全內反射

全內反射是光折射的一個特殊情況，當光線由密度較高的（光密）介質到密度較低的（光疏）介質且入射角大於臨界時，即 $\angle \theta _{i}\geqslant \arcsin {\tfrac {n_{2}}{n_{1}}}$ ，則只有反射光線，沒有折射光線，這現象是為全內反射，而在現實生活中，光纖，魚眼鏡頭便是全內反射的最好例子。

### 光路可逆原理

在干涉與繞射可忽略的情況中，入射光線與反射光線的可交換性。就是在一條光徑的終點，發出反方向的光，此光可沿原路徑回到原來的起點。在介質分界面處應用光路的可逆性可導出關於反射率和折射率的斯托克斯關係。

### 干涉

干涉現象是波的一種特性，如牛頓環。在雙縫實驗中，我們可以看到不同光暗條紋在投射屏上，其中光部條紋代表該處發生相長干涉，暗部則代表該處發生破壞性干涉。 $\bigtriangleup y={\tfrac {\lambda D}{a}}$ ，其中 D (slit-screen separation 要較 a (slit separation) 大很多。根據這公式，我們可代入不同的數值去計算波長等數值。

### 繞射（繞射）

繞射現象也是波的一種特性，是光在通過闊度與其波長相當的孔或縫時所發生的現象。在單縫實驗中，我們可以看見光不會持續原來的直線路徑，而是作扇形發散狀，根據 $dsin\theta =m\lambda $ ，我們可以根據公式計算出其第一，第二等等光部條紋是發生在哪個角度。另外，我們可以知道，當波長越長，其繞射程度越大。

### 光電效應

一種光游離作用（光子將電子撞出原子，使之游離的過程），最常見的應用是以光束完成電流通路的電眼系統。

### 傳播速度

在真空中光的傳播速度為 299,792,458 m/s（準確），是一個常數，以符號 $c$ 代表，也是訊息傳播速度的上限。由於光子的靜止質量為 0，因此理論上並沒有任何物質的速度能超過光速

## 光源

正在發光的物體叫做光源，而「正在」這個條件必須具備。光源可以是天然的或和人造的。

## 光譜

在光的產生過程中，因為躍遷能階的不同，釋放出不同頻率的光子（愛因斯坦能量方程式）。而不同頻率的光會有著不同的顏色。可見光範圍內依次為赤橙黃綠藍靛紫。白光為所有這些光譜的綜合。如果用稜鏡折射白光，就能夠觀察到上述可見光光譜。 
**既複色光（如白光）被色散系統（如稜鏡）分類後，按波長的大小依次排列的圖案。**
  
後來，對光譜的研究就成了一門專業學科 —— 光譜學。人們利用光譜來研究發光物體的性質。在現代，光譜學在宇宙的研究方面起著重要的作用。

## 光學現象

一般常見的光學現象通常是由來自太陽或月球的光與大氣、雲、水、灰塵和其他粒子交互作用，在大氣層中表現出的光學特性。其它現象可以是人為的光學效果或人眼產生的內眼學現象（幻影已經被排除）。

光是直線傳播的。基於光線的光學，稱為幾何光學或線性光學（Beam Optics）。有許多現象肇因於光是粒子或波的本性。有些非常微妙，只有通過科學儀器的精密測量才能觀察到。一個著名的觀測是日食期間觀察到星光的偏折，這證明了相對論理論預測的空間彎曲。

## 光的應用

照明（熒光燈、鎢絲燈、LED 燈）、能源（太陽能、清潔能源）、電子（電腦、電視、投影儀、微波爐等）、通信（光纖、魚骨天線）、醫療保健（伽瑪刀、B 超儀、光波房、汗蒸房、X 光機）等，生物工程（光學鑷子、啁啾放大技術）

## 形成

根據能量守恆定律，能量是不能隨意製造或毀滅的，但是光子會在化學反應（例如核融合和核分裂等）中與釋放的能量一起產生。

## 參見

* 光學
* 非線性光學
* 面鏡
* 透鏡
* 電磁波
* 司乃耳定律
* 繞射光柵
* 布魯斯特角
* 偏振光
* 光電效應
* 光子
* 影

## 參考文獻