光是一種重要的自然現象。我們之所以能看到客觀世界中豐富多彩的景象，是因為眼睛接受物體發射、反射或散射的光。據統計，人類感觀收到外部世界的總信息量中，至少有 90%以上通過眼睛。在數千年前人類便產生對光現象進行探索和研究的興趣，留下許多關于光學現象的記載和著作。

光學是一門研究光（電磁波）的行為和性質，以及光和物質相互作用的物理學科。光學是物理學中最古老的一門基礎學科，傳統內容十分豐富，如光的產生、傳播、本性等等；光學又是當今科學領域中最活躍的前沿陣地之一，激光的問世使得光學煥發青春，如光子學、信息光學、光通信等等。光學的發展是一個漫長而曲折的歷史過程，主要經歷了萌芽時期、幾何光學時期、波動光學時期、量子光學時期、現代光學時期等五大歷史時期。

（一）萌芽時期（約公元前 5 世紀~16 世紀初）

光學的起源和力學、熱學一樣，可以追溯到兩三千年以前。春秋戰國時期墨子（公元前 468-376 年）及其弟子所著《墨經》中記載：直線傳播、光在鏡面上的反射等現象，并提出了一系列的實驗規律。這是有關光學知識的最早紀錄。西方也很早就有光學知識的記載，歐幾里德（Euclid,公元前330~275）的《反射光學》研究了光的反射，提出了反射定律和光類似觸須的投射學說。

大約公元100年克萊門德和托勒密研究了光的折射現象，最早測定了光在兩介質界面的入射角和折射角。阿拉伯學者阿勒·哈增（AI-Hazen,965~1038）寫過一部《光學全書》，討論了許多光學現象。公元 11 世紀阿拉伯人伊本·海賽木發明了透鏡，到 16 世紀初，凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學元件也已相繼出現。這些光學元件的發明推動了光學進一步向前發展。

（二）幾何光學時期（16 世紀~18 世紀初）

1608 年荷蘭人李普塞（Lippershey）發明第一架望遠鏡，17 世紀初延森（Janssen）和馮特納（Fontana）發明了第一架顯微鏡。1610 年伽利略制作了望遠鏡，并用望遠鏡觀察星體運動。1611 年開普勒發表《折光學》，設計了開普勒天文望遠鏡。1630 年斯涅爾（Snell）和笛卡爾（Descartes）總結出光的折射定律。這些發明和發現是光學由萌芽時期發展到幾何光學時期的重要標志。

直到 1657 年費馬（Fermat）得出著名的費馬原理，并從原理出發推出了光的反射和折射定律。這兩個定律奠定了幾何光學的基礎，光學開始真正形成一門科學。牛頓在 1666 年提出光的微粒理論：光是高速運動的細小微粒。能夠解釋光的直線傳播和反射折射定律，但不能解釋牛頓圈和光的衍射現象?；莞乖?1678 年提出光的波動理論：光是在“以太”中傳播的波。成功的解釋了光的反射和折射定律，方解石的雙折射現象，但他的理論沒有指出光的周期性和波長的概念，沒有脫離幾何光學的束縛。此后 100 多年時間里兩種理論不斷爭斗，18 世紀以前微粒理論占上風，這種優勢在 19 世紀初被打破。

（三）波動光學時期（19 世紀初~19 世紀末）

1801 年托馬斯·楊 的“楊氏雙縫干涉實驗”解釋了光的干涉現象，初步測定了光的波長，并于 1817 年提出光是一種橫波。1815 年菲涅爾補充了惠更斯原理，形成惠更斯-菲涅爾原理；解釋了光在各向同性介質中的直線傳播和光的衍射現象，并推出菲涅爾公式。最終，19 世紀初光的波動理論終于戰勝了微粒說。至此，光的波動理論既能解釋光的直線傳播，又能解釋光的干涉、衍射和偏振等現象。

1845 年法拉第發現了光的振動面在強磁場中的旋轉，揭示了光與電磁場的內在聯系。1856 年韋伯和柯爾勞斯發現電荷的電磁單位與靜電單位的比值等于光在真空中的傳播速度。1861 年麥克斯韋建立起著名的電磁理論，該理論預言了電磁波的存在，并指出電磁波的速度與光速相同，提出光是一種電磁波的假設。1888 年赫茲發現了波長較長的電磁波--無線電波，它有反射、折射、干涉、衍射等與光類似的性質，傳播速度恰好等于光速。至此，光的電磁理論基礎被正式確立。

針對惠更斯波動理論中的光的傳播介質“以太”是否存在這一問題，麥克爾遜和莫雷于1887年利用光的干涉效應（麥克爾遜干涉儀），試圖探測地球相對于“以太”的運動，得到了否定的結論，證實以太根本不存在。

（四）量子光學時期（20 世紀初~20 世紀中葉）

1900 年，普朗克從物質的分子結構理論中借用不連續性的概念，提出了輻射的量子論。他認為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。量子論很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長分布的規律，以全新的方式提出了光與物質相互作用的整個問題。量子論不但給光學，也給整個物理學提供了新的概念，所以通常把它的誕生視為近代物理學的起點。

1905 年愛因斯坦發展了光的量子理論，成功地解釋了光電效應，提出了光的波粒二象性。 至此，光到底是“粒子”還是“波動”的爭論得到解決：在某些方面，光表現的象經典的“波動”,在另一些方面表現的象經典的“粒子”,光有“波粒二象性”. 這樣，在 20 世紀初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運動物體的光學現象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應、光壓以及光的化學作用等無可懷疑地證明了光的量子性--微粒性。

1916 年愛因斯坦預言原子和分子可以產生受激輻射。他在研究輻射時指出，在一定條件下，如果能使受激輻射繼續去激發其他粒子，造成連鎖反應，雪崩似地獲得放大效果，最后就可得到單色性極強的輻射，即激光。這為現代光學的發展奠定了理論基礎。

（五）現代光學時期（20 世紀中葉~）

1960 年，梅曼用紅寶石制成第一臺激光器；同年制成氦氖激光器；1962 年產生了半導體激光器；1963 年產生了可調諧染料激光器。此后，光學開始進入了一個新的發展時期，以致于成為現代物理學和現代科學技術前沿的重要組成部分。

激光具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，所以自發現以來得到迅速的發展和廣泛應用，引起了光學領域和科學技術的重大變革。由于激光技術的發展突飛猛進，目前激光已經廣泛應用于打孔、切割、導向、測距、醫療、通訊等方面，在核聚變等方面也有廣闊的應用前景。同時光學也被相應地劃分成不同的分支學科，組成一張龐大的現代光學學科網絡。

【參考文獻】

[1] [美]弗 卡約里。物理學史[M].戴念祖，譯。桂林：廣西師范大學出版社，2002:234-255.

[2] 吳景彥。物理學史上的科學家[M].北京：勞動人事出版社，1988.

[3] 祁關泉，龔又明。物理學史[M].上海：上海教育出版社，1986.