光學史

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人類對光學（optics）的研究開始於古代。最晚於公元前700年，古埃及人與美索不達米亞人便開始磨製與使用透鏡；之後前6~5世紀時古希臘哲學家與古印度哲學家提出了很多關於視覺與光線的理論；在希臘-羅馬世界，幾何光學開始萌芽。光學「optics」一詞源自古希臘字「ὀπτική」，意為名詞「看見」、「視見」[1]。 中世紀穆斯林世界對早期光學做出許多貢獻，在幾何光學與生理光學（physiological optics）方面都有很大的進展。在文藝復興時期與科學革命時期，光學開始出現戲劇性的突破，以繞射光學的出現為標誌。這些與之前發展出的光學被稱為「經典光學」。20世紀發展的光學研究領域，如光譜學與量子光學，一般被稱為「現代光學」。

古埃及與古中國[編輯]

公元前700年亞述人使用的寧路德透鏡

很早以前，古埃及人與美索不達米亞人就知道將石英晶體磨光製成透鏡，有些亞述透鏡的年齡確定已達3000年，例如寧路德透鏡（Nimrud lens），這是已知最早的光學透鏡。這些透鏡可能被用來放大影像或焦聚陽光[2]。 1995年4月，中國陝西省扶風縣黃推村發掘出一件青銅凹面鏡，被認為是西周中期（距今約3000年）或更早的物品，經鑑定是用於聚光生火的用具，古稱為陽燧或夫燧[3]。 《周禮·秋官》記載了「司烜氏」一官職，負責用陽燧在太陽光下取火，作為祭祀儀式的一部分[4]。 1972年，扶風縣莊白劉家村也出土了一件被斷定為西周時期的青銅凹面鏡。此外在陝西長安縣張家坡西周墓地M170號墓、北京昌平白浮2號和3號西周墓都曾發現西周時期的青銅凸面鏡[5]。

古印度[編輯]

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），這裏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、不同形式組合時，光粒子可以展現不同的特徵。在公元前1世紀左右的《毗濕奴往世書》（Vishnu Purana）裏，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。

古希臘時期[編輯]

哲學[編輯]

古希臘哲學者認為，產生視覺的基本前提是，物體與眼睛之間必須有某種物理接觸。這物理接觸是那時期各種視覺機制理論之間主要不同之處。進入說（intromission theory）表明，從物體表面蛻出的原子尺寸厚度的影像（eidola），持續地移動經過附近空間，進入眼睛內，成為視像。這理論有很多支持者，包括德謨克利特、伊比鳩魯等等原子論者[6] [7]。這理論有兩個很明顯的問題：第一，眼睛的尺寸有限，怎樣接受大尺寸物體的物質影像？第二，為什麼只在有光源的狀況才可看見物體，在黑暗裏無法看見物體？[8]

根據發射說（extramission theory），眼睛會發射出一種「焰光」或「焰流」，當焰光接觸到任何物體時，眼睛會感覺到這物體，因此產生視覺。主張發射說的哲學者有畢達哥拉斯和其學生奧克麥安（Alcmaeon）等等[7]。這理論的形成與希臘大眾文化有關，希臘人對於視覺理解為，眼睛發射出的焰光會偵測物體表面[註 1]。希臘人常用觸覺來類比視覺。天文學者喜帕恰斯解釋，從眼睛射出的焰光像一隻『視手』般地工作[8]。

約公元前360年，柏拉圖在對話錄《蒂邁歐篇》（Timaeus）裏，評論鏡子的宇稱逆反性質[9]，他還提出了綜合了前述兩種理論的「遇見說」。柏拉圖認為，從眼睛發射出的焰光會與日光合併，共同形成一種具有覺察性質的介質，當這介質遇到從物體表面蛻出的粒子時，會被粒子振盪，從而促成視覺[7]。粒子的尺寸大小與黑白對比有關──粒子越小，感覺越白，粒子越大，感覺越黑。粒子的移動速度與亮度有關──粒子越快，感覺越亮，粒子越慢，感覺越暗[8]。

在亞里士多德之前，對於視覺問題，只有在研究其它問題時順便提到的隻言片語，並沒有任何系統性的專門研究。亞里士多德開始仔細的定義與分析所有關於視覺的概念。他否定先前各派學者的理論。他認為在眼睛與物體之間存在某種均勻介質，這介質與進入說的附製體、發射說的焰光無關，是一種主要功能為傳輸視像的以太。這介質需要日光的作用才能工作，否則會變得不透明。[8]

大約於公元前3世紀創立的斯多亞學派所提出的視覺理論是發射說的一種變版，他門主張在眼睛與物體之間的介質不是由焰光與日光組成，而是一種由焰光與空氣組成的介質，稱為視氣。當這視氣與物體直接接觸時，眼睛會感覺到這物體，因此產生視覺。[8]

幾何光學[編輯]

公元前300年左右，歐幾里得在專著《光學》（Optics）裏，將視覺與幾何連結在一起，創建了幾何視覺理論，又發展出透視法理論。歐幾里得的視覺機制理論屬於「視線模型」。這模型也是一種發射說。根據這模型，從眼睛發射出的視線形成一個圓錐體，其頂點是給定視覺接受中心的眼睛，其底面給定了視域；當視線碰到物體時，眼睛會感覺到物體的存在，就好似身體碰到物體的觸覺一樣。從被碰視線的圖樣與位置，可以知道物體的形狀與位置[7][10]。在歐幾里得之前，哲學者提出的視覺理論都是籠統的定性理論；而歐幾里得的數學想法將柏拉圖的奧妙介質改變為筆直的視線，能夠用邏輯與幾何論證[11]。

公元二世紀，托勒密在撰寫的專著《光學》（Optics）裏，繼續先前大師歐幾里得與希羅的成就，仔細分析光的反射機制，給出一套相當完整的反射理論。這理論能夠分析光從平面鏡、圓球面鏡、圓柱面鏡等等凹面形或凸面形鏡子的反射。他又設計出一些實驗來測試這反射理論[10]。托勒密還規劃出關於折射的實驗，並且實際完成了實驗。但是，他從做實驗得到的數據與結論並不準確，沒有給出正弦定律。在那時候，希臘學者不清楚正弦的概念[12]。托勒密的視覺機制理論與歐幾里得類似，屬於視線模型。顏色是物體內秉的屬性，但這屬性只有在日光作用之時才會發效，而又必須被視氣感覺到才能成為視覺。所以，視覺是從光源發射出的光、物體的顏色、視線，這三種實體之間相互作用的結果。托勒密的論述是古希臘光學的最高峰，對於之後的阿拉伯光學佔有舉足輕重的角色[8]。

古代中國[編輯]

戰國時期[編輯]

古代中國光學研究目前最早可考記載可見於《墨經》。《墨經》大約成書於公元前388年，是《墨子》的一部分，由戰國中後期的墨家學者編著。《墨經》由《經上》、《經說上》、《經下》、《經說下》、《大取》、《小取》六篇組成。其中《經下》和《經說下》中分別記載了八條光學經驗定律以及其註釋[13]。

  • 第一條是：「景不徙，說在改為」，解說：「景，光至，景亡；若在，盡古息。」[14][15]指出光和影的關係。影子是不動的，影子變動的表象是物體和光源位置改變所造成。物體或光源移動造成光照到影子的位置，則影子消亡，新的影子。如果舊的影子仍然存在，則會一直在原處[13]。
  • 第二條是：「景二，說在重」，解說：「景，二光夾一光，一光者景也。」[14][15]指出物體如果受兩個光源照射，就會有兩個影子。兩個光束的重疊部分是一束更亮的光，產生的是一個影子（本影）[16]。
  • 第三條是：「景到，在午有端與景長，說在端。」，解說：「景，光之與人，煦若射。下者之人也高，高者之人也下。足蔽下光，故成景於上；首蔽上光，故成景於下。在遠近有端與於光，故景庫內也。」[14][15]說出了小孔成像的現象以及性質，指出光線通過小孔（端）形成倒立的影像，倒像的大小取決於小孔的位置。這是因為光照到人是沿直線的。成的像中，人的下部在上方，人的上部在下方。腳部遮蔽了下部的光，所以成像在上部，頭部遮蔽了上方的光，所以成像在下部。
  • 第四條是：「景迎日，說在轉」，解說：「景，日之光反燭人，則景在日與人之間。」[14][15]說的是影子和反射的關係。光照到人身後的鏡子上再反射到人身上，所以影子朝向太陽（介於人和太陽之間）[16]。
  • 第五條是：「景之小大，說在杝正遠近」，解說：「景，木杝，景短大；木正，景長小。光小於木，則景大於木。非獨小也，遠近。」[14][15]指出影子大小取決於物體位置和遠近。物體斜放時，影子短而濃，正放時，影子長而淡。光源尺寸小於物體時，影子尺寸大於物體，反之亦然；遠近也是一樣的，光源離物體遠則影子尺寸小，反之則尺寸大[16]。
  • 第六條是：「臨鑒而立，景到，多而若少，說在寡區」，解說：「正鑒，景多寡、貌能、白黑、遠近、杝正異於光。鑒景當俱，就去亦當俱，俱用北。鑒者之臭於鑒無所不鑒。景之臭無數，而必過正。故同處，其體俱，然鑒分。」[14][15]描述了平面鏡成像的規律[13]。
  • 第七條是：「鑒窪，景一小而易，一大而正說在中之外、內」，解說：「鑒，中之內，鑒者近中，則所鑒大，景亦大；遠中，則所鑒，景亦小，而必正；起於中緣正而長其直也。中之外，鑒者近中，則所鑒大，景亦大；遠中，則所鑒小，景亦小，而必易；合於中而長其直也。」[14][15]描述了凹面鏡成像的規律，成虛像和實像大小和物體距離焦點位置的關係[13]。
  • 第八條是：「鑒團景一」，解說：「鑒，鑒者近，則所鑒大，景亦大；其遠，所鑒小，景亦小，而必正。景過正，故招。」[14][15]描述了凸面鏡成像的規律，說明了成像必為正像，以及其大小和物體位置的關係[13]。

同樣是在《墨經》的《經說下》裏面，作者在闡述感官和認知的關係時，以視覺形成機製作為例子，認為「目以火見」（眼睛因光線的存在而能看見）[13]。

秦漢至五代時期[編輯]

古代中國並沒有系統的光學研究。各種光學現象和光學原理的記述以及運用散見於不同的書籍中。漢代初期《淮南萬畢術》中曾經記載了利用鏡面反射原理製造潛望鏡的方法：「取大鏡高懸，置水盆於下，則見四鄰矣。」而自晉代以降，以不同角度放置多個鏡子，以造出重像讓使用者看到自己的側面和背面的方法，為葛洪與之後的道教、佛教信徒所重視[13]。唐代初期陸德明的《經典釋文》在註釋《莊子·天下》篇時則說明了潛望鏡的原理[17]。同樣在《淮南萬畢術》中，描述了製造冰透鏡以取火的方法[18]。

中世紀穆斯林世界[編輯]

伊本·沙爾的手稿頁面複印，證明他着實發現了折射定律。

中世紀穆斯林世界的作者們將希臘哲學者的光學理論重新發掘，並加以發揚光大，其中最早的有肯迪（公元801年–873年），他仔細分析亞里士多德理論與歐幾里得理論的優點與缺點，並且覺得比較能夠接受發射說，因為歐幾里得的幾何視覺模型是用於發射說。他還建議，從光亮表面的每一點會朝着所有方向發射出以直線移動的光線。[19]

10世紀後期，為巴格達宮廷效勞的伊朗學者伊本·沙爾（Ibn Sahl）在專著《論點火鏡子與透鏡》（On Burning Mirrors and Lenses）裏最先正確地表述出折射定律[20][21]。他應用這定律來計算能夠將光線聚焦而不會產生幾何像差的透鏡的形狀。這種透鏡稱為曲折透鏡（anaclastic lens）。可惜其他學者並沒有注意到他的研究結果[22]。

按照沙爾作圖法詮釋，假設將長度比率調整為與相等，則入射線與折射線滿足斯涅耳定律。
海什木是光學的拓荒者。

11世紀初，阿拉伯學者海什木重做托勒密的折射實驗。他在著作《光學之書（英語：Book of Optics）》（Kitab al-Manazir）裏，從重做實驗得到的數據，粗略地總結出一些定則，他也沒有得到正弦定律[23]。海什木強烈駁斥發射說，光是從被視物體的表面以直線朝着各個方向發射或反射，傳播經過空間後，進入眼睛。關於進入說，他認為物體並不會蛻出任何物質影像，正確的機制是，位於物體表面的每一點將光朝着各個方向發射或反射，任何射入眼睛的光會將視訊傳遞至眼睛。[24]:6-7

海什木的成就在阿拉伯世界並沒有得到應有的重視。大約於公元1200年，他的著作被翻譯成拉丁文，書名為《透視》（Perspectiva）。直至17世紀，這著作在歐洲是光學的標準參考書。[24]:6-7[25]:86, 209

中世紀時期歐洲[編輯]

雖然眼鏡是人類史上最重要的發明之一，歷史學者至今仍舊不知道誰是發明眼鏡的始祖。那時候並沒有專利權法律保護智慧財產。很多新的技術都是工匠偶然靈感大發之作，而工匠時常會將這些技術以口傳方式傳授後人，原因可能是這些工匠不識字，或者是要保護商業秘密，把所有技術都儲藏在腦袋裏。儘管如此，歷史學者有確實證據顯示，眼鏡大約是1286年在意大利的比薩或附近城鎮發明，用來矯正老花眼的工具[26]。不消幾日，一行研磨與拋光的光學工業已如火如荼地發展起來，13世紀先在威尼斯，後來又在荷蘭與德國的眼鏡製造中心[27]。由於眼鏡製作技術的不斷改進、精益求精，連帶導致複合顯微鏡在1595年和反射望遠鏡在1608年，分別在荷蘭的眼鏡製造中心被發明[28][29]。

近代科學革命[編輯]

開普勒1610年肖像，作者不詳。

開普勒[編輯]

17世紀早期，約翰內斯·開普勒擴展他的研究領域，開始研究幾何光學，這囊括了透鏡、平面鏡與曲面鏡的反射、針孔成像、光輻照度的平方反比定律、對於像月蝕與日蝕等等天文現象的光學解釋、天文視差等等論題。甚麼是接收影像的器官這問題，經過先前300年其他學者與工匠們的辛勤努力研究，都沒能得到滿意答案，因開普勒的正確推論，終於發現視網膜為接收影像的器官[26]。望遠鏡發現之後，開普勒給出望遠鏡的工作理論，並且設計出一種改良版本，現知名為開普勒望遠鏡。這望遠鏡使用兩個凸透鏡來達到較高的倍率。[30]

笛卡爾[編輯]

工作中的笛卡兒

17世紀中期，光學理論穩定地向前踏進。哲學者勒內·笛卡爾將世界視為一個由運動與物質共同建構出的的超大機器。他否定超距作用，認為物質與物質之間只能靠實際接觸來傳遞作用力。注意到太陽豐盛地傳輸光與熱給行星，他推論在太陽與行星之間的空間，必瀰漫着傳遞光與熱的透明介質，稱為以太。他將物質細分為三種：類似太陽的發光物質、由非常微小粒子組成的以太、不發光不透明的地球物質。笛卡兒認為光就是以太所傳遞的壓力，能夠以無限速度從一方傳遞到另一方。當眼睛接受到視覺時，所感受到的就是光的壓力，就好似盲人靠着感受導盲手杖的壓力來探知前方的狀況。他建議由於以太粒子的自轉，會按照彩虹的顏色順序，出現顏色──自轉的越快，顏色越紅，自轉的越慢，顏色越藍。在1637年專著《屈光學》（dioptrics）裏，笛卡兒對於一些光學現象，包括反射與折射，給出詳細的解釋[31]。他首先發表了折射定律（即斯涅耳定律，在法國稱為「笛卡兒定律」）。在推導折射定律時，他改假定光是粒子，其傳播速度與介質密度呈正比[32]。

費馬[編輯]

1662年，物理學者皮埃爾·德·費馬發表了另一種導引，從他的版本的最小作用量原理推導出同樣的定律，但是費馬的假定是光波的傳播速度與介質密度呈反比。因此，他激烈地反駁笛卡兒的導引，認為笛卡爾的假定有誤。很多歷史學者都懷疑笛卡兒先閱讀了斯涅耳的論文，然後調製出自己的導引，費馬與惠更斯分別多次重複地譴責笛卡兒的行為缺失。[33][34]

牛頓[編輯]

《光學_(牛頓)（英語：Opticks）》

1666年，經典物理學鼻祖艾薩克·牛頓進行了稜鏡實驗，發現普通白光是由很多種顏色的光組成，由於折射角度與光的顏色有關，稜鏡可以將白光發散為彩色光譜，而第二個稜鏡可以將彩色光譜重組為白光。他還通過分離出單色光，並將其照射到不同的物體上的實驗，發現了單色光不會改變自身的顏色性質。牛頓還注意到，無論是反射、散射或發射，單色光都會保持同樣的顏色。因此，我們觀察到的顏色是物體與特定單色光相合的結果，不是物體產生顏色的結果。1704年，牛頓在著作《光學》裏，詳細闡述光微粒說。他認為光是由非常奧妙的微粒組成，遵守運動定律。這可以合理解釋光的直線移動和反射性質。但是，對於光的折射與繞射性質，牛頓的解釋並不很令人滿意，他必須用以太來解釋。他認為以太是一種瀰漫於空間與物體之中、能夠快速傳播振動的彈性介質，光與以太會互相作用，當光被物質吸收時，附近的以太會被振動，形成熱。由於以太傳播振動，熱能夠從溫度較高物體傳導至溫度較低物體。在各種介質中，以太瀰漫的密度不同，因此會出現折射。由於在物體與空間的界面區域，以太密度可能變化很大，所以可能會出現一種不同的折射現象，牛頓稱這為繞射。[35]

惠更斯、虎克[編輯]

1690年，克里斯蒂安·惠更斯發表著作《光論》（Traitė de la Lumiere）提出惠更斯原理：波前的每一點可以認為是產生球面次波的點波源，而以後任何時刻的波前則可看作是這些次波的包絡[36]。從他的原理，可以給出波的直線傳播與球面傳播的定性解釋，並且推導出反射定律與折射定律；但是他並不能解釋，為什麼當光波遇到邊緣、孔徑或狹縫時，會偏離直線傳播，即繞射效應。惠更斯假定次波只會朝前方傳播，而不會朝後方傳播。他並沒有解釋為什麼會發生這種物理行為[37]。惠更斯原理是一種光波動說。這假說是根據1664年羅拔·虎克的提議。虎克本人公開批評牛頓的光微粒說。兩位大師爭吵不休，直至虎克離世。在那時期，由於牛頓在其它物理領域的成功，他被公認是光本質爭論的贏家，學術界廣泛地接受牛頓光學。[31]

現代科學時期[編輯]

1801年，托馬斯·楊做實驗研究光的干涉與繞射。楊氏雙縫實驗顯示出，繞射光波遵守疊加原理，這是一種光微粒說無法預測的波行為。這實驗確切地證實了光的波動性質。1818年，奧古斯丁·菲涅耳提出惠更斯-菲涅耳原理，在惠更斯原理的基礎上假定次波與次波之間會彼此發生干涉，又假定次波的波幅與方向有關。惠更斯－菲涅耳原理能夠解釋光波的朝前方傳播與繞射現象。[37]:4-5

1865年，詹姆斯·麥克斯韋將電磁學的理論加以整合，提出麥克斯韋方程組。這方程組能夠分析電磁學的種種現象。從這方程組，他推導出電磁波方程式。應用電磁波方程式計算獲得的電磁波波速等於做實驗測量到的光波速度。麥克斯韋於是猜測光波是一種電磁波。電磁學和光學因此聯結成統一理論。1888年，海因里希·赫茲做實驗發射並接收到麥克斯韋預言的電磁波，證實麥克斯韋的猜測正確無誤。[38]

雖然光的電磁理論可以解釋一切關於光傳播的現象，物理學者無法用電磁理論解釋對於原子發射光與吸收光的過程。1817年，約瑟夫·夫朗和斐發現，在太陽光譜裏有很多黑線條。後來，1861年，古斯塔夫·基爾霍夫與羅拔·本生確認了每一條黑線條所對應的化學元素，並推論這些黑線條是由在太陽大氣層的那些溫度較低的元素吸收造成的。物理學者無法用經典理論來解釋為甚麼化學元素會造成這些黑線條，這涉及到原子結構問題。[39]

馬克斯·普朗克

1899年，馬克斯·普朗克正確地給出黑體輻射的模型，他假定光與物質之間只能以離散數量方式交換能量。他不清楚到底是光還是物質造成了這種離散方式。他稱呼這些離散能量為量子。由於這傑出的成就，他開啟了量子論的新紀元[40][41]:231-236。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦發表論文，重新恢復光微粒說，主張光是由離散的粒子所組成，這粒子稱為「光量子」，又稱為光子；每一束頻率為 的光波含有一群能量為 的光子（其中 是普朗克常數）。應用這理論，他可以解釋1887年赫茲發現的光電效應，這是光波動說無法解釋的[39]。1913年，尼爾斯·玻爾表明，原子只能夠發射離散數量的能量，這解釋了出現於發射光譜與吸收光譜的離散線條[42]。這些發展對於了解光與物質之間的相互作用有很大的助益，不但形成了量子光學的基礎，而且對於量子力學的發展扮有關鍵的角色，最終促成了量子電動力學的誕生。量子電動力學能夠描述所有涉及帶電粒子的相互作用為光子的交換，能夠完全解釋物質與光之間的相互作用。這相互作用只涉及到三種事件：光子從某個位置移動到另外一個位置、電子從某個位置移動到另外一個位置、電子吸收或發射光子[43]

當代[編輯]

激光學（laser science）是關於激光理論、設計與應用的研究領域。1960年代，由於激光的發明，激光學成為熱門領域，量子光學的實際用途越加廣泛，光子學（photonics）的大門也被開啟。其它突破緊跟着出現，1970年代的激光二極管、傳遞資訊的低衰減光纖、摻鉺光纖放大器等等。這些發明建立了20世紀後期的電信革命的基礎，完善了互聯網的硬件設施。[44]

註釋[編輯]

  1. ^ 在荷馬創作的史詩《伊利亞德》裏，
    [Agamemnon's] heart was black with rage and his eyes flashed fire as he scowled on Calchas
    [阿伽門農]內心充滿憤恨，他的眼睛閃爍著焰火怒對卡爾卡斯

參考文獻[編輯]

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拓展閱讀[編輯]

參見[編輯]

幾何光學
物理光學
現代光學
光學工程
自然光象
物理學者
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