光的波动性
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光的波动性
衍射、干涉和折射完善我们对光行为的概述
匿名 2015年12月18日，星期五
在审视光的本质时，我们已经看到光与物质相互作用如何照亮我们的世界。当光线落在某些物质上时，它们可以被吸收、反射或透射。我们已经看到光的反射是我们如何远程感知周围宇宙的关键。被物质吸收的光子增加了量子系统的能量，物质可能会将光辐射回太空。仅凭这些信息，我们就可以对光的行为方式说很多。然而，为了完善更宏观的图景，我们需要看看当光流过和穿过物质时，其波动性是如何显现的。
金门大桥在雨滴中的折射，雨滴充当玻璃上的透镜，由 Brocken Inaglory 提供 - 根据 CC BY-SA 3.0 许可通过 Commons 使用
如果你曾经去过海边，看到水波在海堤尽头弯曲，或者观察过波浪从水道中扩散开来，那么你已经观察到了被称为衍射的波现象。基本上，波的能量会在遇到物理物体时发生弯曲。虽然这在介质（如水）中的机械波中很容易观察到，但光的衍射非常微妙，不易察觉。光波的波长非常小（约5000埃），因此发生的弯曲量总是非常小。然而，实际上有一种简单的方法可以观察光的衍射。当来自远距离光源的光通过一个小针孔或狭缝时，可以观察到所谓的衍射图案。如果你曾经透过精细的窗纱看过远处的路灯，你可能注意到路灯的点光源在你的眼睛看来形成了一个十字形。这就是衍射：纱窗上每个小孔的四边就像衍射狭缝的边缘，将光线向四个方向弯曲，形成十字形状。衍射光线形成图案这一事实，归因于一般波现象的另一个特征：干涉。
托马斯·杨的双缝衍射草图，1803年提交给英国皇家学会 - 公共领域 via Commons
干涉是另一个在机械波领域很容易观察到的效应。将两块石头扔进池塘中稍微不同的位置，观察由此产生的波浪如何相互作用。波峰和波谷频率相匹配的波被称为同相。这样的波会相长干涉，意味着它们会相互叠加，产生一个虽然频率相同但振幅（波高）是原来两个独立波两倍的波。彼此完全异相的波（波峰与波谷对齐，反之亦然）会以所谓相消干涉的方式结合。两个波会相互抵消，导致没有波。干涉不会创造或破坏波的能量，而是重新分配它。因此，当光波通过衍射狭缝时，产生的图案是由衍射光线相互发生相长干涉和相消干涉形成的。
两列波的相长和相消干涉，由 Haade 提供 - 根据 CC BY-SA 3.0 许可通过 Commons 使用
当光能够穿过某种物质时，也许其最有用的行为就显现出来了。折射是光线在穿过两种不同材料（如空气和水）的界面时发生的弯曲。这种行为的原因是光在不同材料中的传播速度不同。众所周知，光在真空中的速度是恒定的，在空气中传播时速度减慢得不多。但光在水中传播速度只有真空中的3/4，在玻璃中只有2/3。光在某种物质中传播得越慢，通过折射被弯曲的程度就越大。
描述折射的斯涅尔定律，由 Cristan 提供 - 公共领域 via Commons
大部分光学科学在很大程度上都源于非常简单的折射规则。因为像玻璃这样的半透明材料会使光线弯曲，我们可以制造透镜来操纵和聚焦通过它们的光线，以达到各种目的。眼镜、显微镜和望远镜中的透镜都利用了光的折射行为，而这之所以可能，仅仅是因为光可观测地表现得像所有的波一样。当然，光在某些方面也表现得像粒子（例如，参见光电效应），但这完全是另一篇文章的主题了。
两个肥皂泡，展示了由薄膜干涉产生的虹彩颜色，由 Tagishsimon 提供 - 根据 CC BY-SA 3.0 许可通过 Commons 使用
