光的過去現在與未來：光學簡史

2015/02/02 |

| 標籤：

（圖：維基）

早在我們祖先的祖先還只是個單細胞生物時，就開始利用光的能量生存。人類無時無刻不受光的影響，對光的本質感到好奇，許多的哲學家、科學家也提出了各種假設來描述光的性質，人類對光的了解足跡，引領著文明進程。

到了17世紀，人們對於光的反射、折射等幾何性質已經相當了解，發展出光學儀器。1609年，伽利略使用自己改良的望遠鏡第一次看向夜空，觀測到木星的四大衛星以及月亮的表面坑洞。當時，人們普遍相信光的傳播不需要時間，但 1676 年丹麥天文學家奧勒．羅默（Ole Romer）利用木星遠離地球及接近地球時，木衛一的公轉週期變化測出了光的概略速度，同時證實了光的速度是有限的。

編按：1676 年 12 月 7 日奧勒．羅默（Ole Romer）測定光速的研究發表在《學者期刊》（Journal des sçavans），證實光速是有限的，而非無限。雖然羅默測量出的光速仍不是相當準確，但他是第一個想出如何測量光速的科學家。

source：google doodle

望遠鏡打開人類的宇宙視野，同時代的虎克（Robert Hooke）則製作了顯微鏡，看到了「細胞」，為後來的微生物學奠下重要基礎；虎克的「死對頭」牛頓使用了稜鏡將光「分離」成不同顏色的色光，發展出光譜概念，光譜於19世紀開始應用在化學元素的發現以及天文學方面，至今仍是各項科學重要的分析工具，牛頓將自己對於光的研究著成了《光學》一書，其中的光微粒在17、18世紀成為了主流理論。在這之前，人們之所以沒有接受光的波動性概念，即是因為沒有確切地發現光的繞射及干涉性質，一直到托馬斯‧楊格（Thomas Young）的雙狹縫實驗才證實了光的波動性，同時測定了不同色光的波長，而光的干涉性質到了現在依然應用在許多高精度的測量上面。

在1865年，馬克士威（James Clerk Maxwell）發表《電磁場的動力學理論》，馬克士威方程組不只成功地用數學表達電磁的性質，更推導出電磁波的速度等同於光速。不過，此時出現了一個問題，所有波動的速度是相對於他們的介質而言，而光的介質為何？當時認為，光的介質是一種未被發現的物體稱為「乙太」，然而1887麥克生－莫雷實驗（Michelson-Morley Experiment）發現，即便地球本身正在高速運動，從任何方向測到的光速都是相等的，而這也是愛因斯坦相對論一項重要的基本條件。對於任何觀察者來說，所有的物理定律都是成立的，包含電磁波的速度，既然光速是固定的，意味著時間必須改變，這代表著要放棄「時間是絕對的」概念。

19世紀末，人們開始進行真空管與一連串的放射性實驗，因而發現了許多未知的輻射線，而這些輻射線對於20世紀的原子結構研究相當重要，特別是X射線。倫琴（Wilhelm Röntgen）實驗時無意中發現了X光，並發現它可穿透人體組織，留下骨頭的陰影圖像。但大家對X光的特性仍不甚了解，直至20世紀初，德國物理學家勞厄（Max von Laue）的晶格繞射實驗，確認它是一種波長極短的電磁波，其高穿透性現在仍廣泛用於醫療與探測功能。在勞厄之後，人們可以透過觀察X光通過物體時的繞射圖形推測結構，對生物學、化學等影響重大，例如1953年華生（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）就是通過X射線繞射方法得到DNA分子的雙螺旋結構。

20世紀之前，人們已經普遍接受用波動的概念描述光的行為，但卻沒辦法解釋金屬被紫外線照射時放出電子的光電效應，一直到1905年愛因斯坦提出光的粒子性才解決這個問題，認為光的能量和它的頻率有關，這個突破性的想法不只解決了光電效應的難題，更催生出了量子理論。而光電效應也大量用於光電二極體、太陽能、雷射等科技上。

光與天文學幾乎密不可分，20世紀初期，人們依據光譜學觀測到了「螺旋星雲」的紅移現象，並且用都卜勒效應解釋這些「星雲」的運動，但當時並沒有辦法知道這些天體的距離，直到哈伯觀測到這些星系上的造父變星的光度變化，估測出了距離，發現距離我們越遠的星系，遠離我們的速度越快，進而推測出宇宙正在膨脹。而到了20世紀中期，藉由電波望遠鏡的發展，也發現了中子星、類星體、宇宙微波背景輻射以及星際間的有機分子，對於宇宙的歷史與結構才能有更深了解。

我們生活在一個離開不了光的世界。