(北京交通大学物理科学与工程学院)
本文选自《物理》2022年第9期
01
引 言
对人类而言, 视觉是获取外部信息最为重要的渠道, 与之紧密关联的光现象, 自然而然成为人类最早予以关注且进行思考的问题当中的一个。如此一来, 光学成为发展历史最为悠久的物理学科当中的一个。始于西方《圣经》里所表述的“神说: ‘要有光’, 就有了光”, 至于“羲和育十日”的传说, 从欧几里得的“反射定律”迈向墨子的“光学八条”, 由开普勒的《折光学》至牛顿的《光学》, 从光的波动说与微粒说的争辩到爱因斯坦和德布罗意等众人对光的波粒二象性的统一, 进而直到当代量子光学和全光网络。自人们察觉到一个光现象起, 便着手记录该光现象, 进而去探寻此光现象背后所蕴含的物理规律, 最终凭借这些规律来引领科学之进步以及技术之发展。光学的发展是与人类文明的进步相伴相随的, 从某些特定意义来讲, 人们对于光学理论的认知以及光学技术的发展, 同样也表征着当时整个人类科技能够达到的发展水准状况。
然而, 随着对于光的认识不断深入, 光学的知识体系变得越发庞杂起来, 从几何光学开始, 历经波动光学, 再到量子光学, 各种各样抽象的理论, 那些复杂的公式, 以及繁琐的方法, 搭建起了高高的认知门槛, 致使许多人难以达到。学生常常只是不求甚解地记住每一个知识点, 用于应对一次次的考试, 爱好者往往仅仅停留在某些概念的表面意思上, 始终不能够构建起准确的物理图像, 对于相关的物理概念以及它们相互之间的联系缺少理解, 更不要说举一反三地将知识运用于实际。这时, 去回顾有关概念组建起来的历史, 去体会物理学家思索的流程, 进而从中找寻思维的工具, 与此同时跟身旁的各类光学现象做相当的对照印证, 这会是理解光学事倍功半的办法。
02
善用“联想”的思维工具
“联想”是物理学家常用的思维工具当中的一个, 物理学家在研究一个物理现象的时候, 没办法“无中生有”物理规律。也没办法“凭空捏造”数学公式, 而是需要具备强大的联想能力, 把不同的现象建立起关联。然后在这个基础之上, 发现物理现象背后的运行规律, 并且建立规律背后的数学公式, 或者在数学推导过程里, 把得到的抽象的数学结果联想到其可能适用的物理现象。并通过实验予以验证。
物理学发展进程里, 欧几里得的反射定律当属最早能追溯的物理定律之一, 那时, 人们早就对光的反射现象有所关注, 只是没建立起简洁规律, 之后, 欧几里得把光想象成一簇“笔直的线条”, 还结合《几何原本》里的数学知识, 同时依据眼睛的视觉效果创建了几何视觉理论, 这也是最早对物理规律进行“联想”的案例之一, 不过, 在此后很长一段时间中, 物理学家在光学研究里都没法摆脱“几何光学”的影响。
在17世纪中期, 处于近代科学革命时期, 这时人们才着手尝试跳出关于“光线”的理论, 去对光的本质予以研究。那个时候, “联想”始终是相当重要的思维工具。以惠更斯作为代表的物理学家们, 经由声波的传播行为以及特性, “联想”到了光, 并且在这个基础之上, 提出了光的波动学说, 致使光从“光线”转变成为了“光波”。在同一时期, 牛顿于其《光学》著作里, 从力学当中的弹性碰撞现象, “联想”到光的反射等行为, 进而构建起光是一些极为奇妙的微粒, 其传播过程是遵循运动定律的物理图像。进入19世纪后于物理学领域, 因衍射现象之发现以及托马斯·杨双缝干涉的实验结果, 致使“波动学说”更具优势, 物理学家借助“联想”进一步把光波于空间里传播、叠加的景象与水面之涟漪相联系, 借着这种图像去描绘光的波动理论。当然, 不管是“光波动说”也不管是“光微粒说”, 物理学家们依旧未跳出“介质”之范畴, 好像谁能够找出这个神秘的“以太”谁便能够获取最终之胜利。最后, 迈克耳孙与莫雷所设计的构思精巧的实验, 成功证实这个“介质”并不存在, 这致使物理学家们得再度施展“联想”的本领, 重新思索光波跟机械波的差异了。直至20世纪时, 普朗克由弹簧振子进而联想到热辐射现象后提出能量子假说, 与此同时爱因斯坦结合光电效应的结果, 又从光的此种特殊现象联想到力学当中的碰撞过程, 他觉得光应是一群离散的“光量子”, 最终还大胆“联想”光乃是既有波动性又具备粒子性的物质, 至此历经数个世纪之久的光的本质之争才宣告结束。现今, 物理学家们所认可的光的波粒二象性理论在未来是否会有新的认识以及突破, 我们无从知晓。然而, 透过一次次于不同现象彼此之间所进行的“联想”, 以及一次次在不同学科分支相互之间展开的“联想”, 人们针对光的认知, 一次又一次地被推进到更高的水准之上。即便某些理论仅仅是阶段性地呈现出正确之态, 并非全然完备且准确无误, 可是在这般“联想”的进程当中, 也为后来之人遗留下了弥足珍贵的思想方法以及参考资料。
当我们知晓人类对于光的认知历程, 掌握联想这一思维方式之后, 在处理几何光学问题之际, 能够将光联想成欧几里得的线, 在处理干涉、衍射等问题之时, 可把光联想成水面上泛起的涟漪, 在处理光电效应、康普顿散射、拉曼散射等问题时，要把光联想成具有弹性的小球。拥有由联想所形成的具体物理图像, 搞清不同图像适用的问题, 光学的多数问题便能得以很好地解决。
03
通过实验建立感官经验
物理为实验科学, 然终是因许多缘由, 于教学进程里对实验的运用成效欠佳。光学情况下情形一样, 不管是中学区间里的光学的成像这事、比如透镜物与像的关系这类情况等, 抑或是大学阶段的比方波动方程等情况, 还有关于干涉这种及衍射公式这类状况, 甚至更繁杂一些情况像电磁场理论等状况。一大批只是理论 talk 却无实践操作的进程常常会致使课堂陷入呈现消极的那种氛围里。过量数目的数学公式以及繁杂的推导进程同样使得一些基础水准相对比较差的学生滋生畏惧学习的情绪, 进而陷入死记硬背这种学习方式当中。在学习过程中, 学生既欠缺感官所获得的经验, 又没有形成完整的思维体系, 仅仅是简单地将知识点进行堆积, 如此一来, 这不但使得学生没办法巩固已经学到的知识, 而且在处理问题以及创造能力方面也都没办法得到相应的锻炼。这样的情况下, 学生们就极易产生“物理难学”这样的看法, 同时, 还有“学完很快就忘”这种情况出现, 另外, 面对物理现象时, 也会出现“对于物理现象也不知从何解释”这种消极的看法。
但值得庆幸之处在于, 光学在各物理分支学科里, 其现象是最为直观、最为生动的, 并且是最易于凭借现象构建起直观感性认识的。自然当中光线相关现象异常普遍, 我们能够轻易地把生活里的光学现象移至教室之中。举例来讲, 借助斜置于水里的一片镜子能够形成一个很棒的色散棱镜从而把太阳光线划分成一道彩虹 ；运用头发丝以及激光笔不但能够展现单丝衍射现象, 还能够进一步结合理论知识达成对头发丝粗细的比较与测量。构成光栅结构的是手机屏幕中像素分布密集本身, 利用它反射阳光能够进行光栅光谱观测。光盘上记录了信息的沟道同样密集, 具备这样的功能, 而且它的分光本领相较于手机屏幕要强很多。制造一个窄缝是用两根棍子操作的来成, 抖动穿过其中的那根绳子便能够建立起偏振的具体直观图像。看水面反光戴上偏光墨镜, 如此即可观察反射光的偏振状态, 进而对布儒斯特定律加以验证。把液晶显示器当作一个偏振光源, 将其与偏光墨镜组合起来, 就能够成为马吕斯定律的演示装置, 甚至还能与塑料尺、透明教材相结合, 来完成显色偏振的实验。
借助这些便利易行的实验, 能够构筑直接的感官认知, 再经由前面所讲的联想之思维方式, 建立不同光学现象与其他多种物理现象之间的关联, 发觉并体悟其中的共通之点生活中的高中物理光学物业经理人，这既提升了趣味, 又达成了从知识点向自然现象的衔接, 让学生渐渐惯于把生活里的物理现象与所学得的物理课中的知识点予以对应, 培育学以致用的意识以及能力。
图1 放置在两个偏振片之间的透明双折射介质产生的光弹效应
04
结语：思维工具与实验体验需相辅相成
物理这门学科, 是人与自然处于“同频共振”状态的学科, 它一方面需要具备思维能力, 另一方面也离不开感官经验。对于刚开始学习的人来讲, 就如同本系列开篇所讲的那样, 是“始于集邮, 终于思想”的过程, 要借助大量实验来进行感官经验的收集整理, 在这个基础之上生活中的高中物理光学，运用“联想”这种思维工具, 去构建与现象相互之间的联系, 还有现象跟自己已然掌握的理论知识之间的联系, 进而搭建起相应的物理图像以及模型, 最终达成对整个知识体系的系统把握。作为学科中直观现象数量最为丰富的光学, 把思维工具的体会以及运用, 跟实验现象、感官经验的积累相互结合起来, 二者相互印证, 肯定会让学习效率大为提升, 学习效果也会大幅提高。
众位读者, 不妨于阅读完此文之后, 借助身旁之物, 去尝试文中所提及的那些实验；进而感受一番光学现象那多彩且趣味的一面；随后再回过头去看那书本之上的知识, 如此一来, 感觉或许会更显亲切一些。