从学科层面审视光学概貌

——我对光学的思考    

李明^?

（**大学*学院*系*班 ***学号*** 西安710049）

中文摘要

本文将对光学进行学科层面上的讨论和思考：首先我将简要回顾光学的发展历史，然后简要介绍近现代的光学分支和激光的重要作用。最后以理论应用结合的角度来对光学的发展历史提出个人的一些想法：诸如解决科学争论的折中办法；如何把握专攻与通识的关系；科学研究要重视学科交叉和有用工具和材料的研究和运用；科学是为社会服务的而不单单是满足科学家的工具。

 关键字 光学发展史,激光,光学分支,交叉学科

PACC：0165 4290

正文

光学发展史*

   人类对光学最初的研究，主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？”之类问题。约在公元前400多年，中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识。公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将一些观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。由此便发展起了应用性很强的几何光学。

1665年，牛顿进行了太阳光的分光实验并发现了牛顿环，同时，他根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流，并在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动，从而对折射和反射现象作了解释。惠更斯是光的微粒说的反对者，认为光像声一样以球面波的形式传播。但两种理论都被粗略地提了出来，因而当初两种学说在第一次交锋中谁也没有完全胜利。

但在19世纪初，“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象的发现并被波动说完美解释后，菲涅耳和托马斯杨初步建立了波动光学；在进一步的研究中，观察到了光的偏振和旋光现象。为了解释这些现象，不得不承认光是纵波。1856年，韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。从而启示了一个伟大的论断：光是一种电磁波。这个结论在1888年为赫兹的实验证实，到此波动论才告以结束。然而，这样的理论还不能解释光的色散现象。到

 

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*参考了http://baike.baidu.com/view/47271.htm并根据本文论题做了取舍

了1896年洛伦兹创立电子论，才解释了发光和物质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点，包括对色散现象的解释。在洛伦兹的理论中，有以太这种广袤无限的不动的

媒质，其唯一特点是，在这种媒质中光振动具有一定的传播速度。而事实上，1887年迈克耳逊用干涉仪测“以太风”，得到否定的结果，这表明人们对光的本性的认识仍然有不少片面性。1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。1905年，爱因斯坦又运用普朗克量子论的思想解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的，继而提出的狭义相对论也使人们抛弃了以太的定义。

　　这样，在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、康普顿效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性——微粒性。总结起来就是有关光本质的波粒二象性（似乎只有这样才能令人满意）。

而后从实验上获得的原子光谱的超精细结构，它们都表明光学的发展是与量子物理紧密相关的，量子光学应运而生。此后在理论的研究上就只是对以前理论的融合及细节的补充了，而在基础之上的应用却在20世纪蓬勃发展，由此产生了光学的很多分支。

光学分支概论

将光学各分支画一个结构图如下^【1】：

上面的结构图需注意一点，各分支并不是就真正成为孤立分支了，而是对光学研究的角度不同罢了，他们的联系还是基础层面的，例如经典光学的几何光学和波动光学就有这样的联系：几何光学是波动光学的短波近似^【2】。再者光学的各种应用分支是从各种理论综合演变而来，为避免将结构图画成网状，故单列其由应用光学衍生。

有关光的基础性的研究中最热衷话题莫非两个^【3】，就是“光与物质的相互作用”和“光的本性”，前者是根据对光与已知物质的相互作用的结果，再以光作为探针探求未知物质的微观结构，而后者则涉及到对客观世界的认识的基本问题，但同时也很可能是永远也不可能完美解决的问题，因为如果我们可以精确的了解关灯本质，那么一切有关光学的现象应用将不再成为问题。

  以下我将以各种分支的关系为线索对这些分支进行简要概括：

全息光学

全息光学是以利用光波动理论中干涉和衍射原理记录再现的全息技术为核心，再配以全息光学元件组合气的分支。其主要应用于全息测量、全景展示、与信息学交叉实现全息信息存储。近来的裸眼3D电影技术也应用了全息术，在以后的发展中很可能在电视、展览、显微术、投影光刻、军事侦察监视、水下探测、金属内部探测、遥感，研究和记录物理状态变化极快的瞬时现象、瞬时过程（如爆炸和燃烧）等各个方面获得广泛应用

信息光学

也称傅里叶光学或者变换光学，这是一个把光的衍射、数学、信息论充分结合的分支^【4】，偏重于对光学信号的处理，因为一般仪器接受的多是原始光信号，有许多干扰、噪声、偶然异常需要进一步处理变换。因而可以应用于图像识别、光学滤波和频谱分析，是目前光学很活跃的一分支。这个可有家下来的统计表中看出。

集成光学

集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象以及光学元件集成化的一门学科。它是在激光技术发展过程中，由于光通信、光学信息处理等的需要，而逐步形成和发展起来的。于是与信息光学有密切的关系，该分支重要的成果就属光纤了，如今对光纤的研究与应用已几乎成为又一分支学科了，其他的就是大型仪器、加工工艺、元件集成上的研究。

生理光学

生理光学是研究眼睛和视觉，是生理学与光学相结合的边缘交叉学科，涉及解剖学、生物化学、物理学和心理学。研究内容包括眼屈光系统、亮度感觉、空间和时间分辨、色觉及立体视觉等。所以由此也可以由此来研究怎样用最少的资源来实现视觉上的立体感受，就是实现立体影视的普及问题。

大气光学

    我们小时候经常对早晨傍晚的壮观景象所震撼，大气光学可以告诉你这是为什么，当然它研究的远不止这些，这个分支是光学与气象学、地理学的交叉学科。早期大气光学的理论是光波传播规律，随着红外和激光技术的迅速发展，大气气体分子高分辨率吸收光谱的研究、大气气溶胶光学特性的研究、强湍流效应的研究、云雾粒子的不同形状对散射特性的影响及其多次散射的研究、激光和红外大气遥测的研究等方面将成为大气光学的主要研究方向，在大气辐射学环境科学、天气预报、天文、航空、遥感等许多方面，得到广泛的应用。

空间光学

这是一门主要应用于航天技术的光学分支，近年来世界各国对航天事业的热衷直接导致了这门学科的飞速发展。它使人们从地面对空间观测过渡到从空间对地和对天体观测，从而摆脱大气带来的种种限制。对空间(天体)观测和研究，主要是利用不同波段及不同类型的光学设备，接收来自天体的可见光、红外线、紫外线和软X射线，探测它们的存在，测定它们的位置，研究它们的结构，探索它们的运动和演化规律。应用方面，主要优质的空间通信系统的研制。未来将向着改进仪器、降低成本的方向发展。

其他光学分支

光物理与其他学科的交叉十分活跃，应用于化学，出现超快光谱技术、高分辨率光谱技术，对原子物理、物质痕量分析、激光分离同位素方面很有帮助；在通信方面，最近又有了光孤子通信技术，它具有容量大、误码率第、抗干扰能力强、传输距离长、中继放大设备简单等特点；激光与量子光学结合使强场及量子相干的研究得到了迅速进展。未来比较各学科及其研究状况，我将这些分支学科作为搜索词在西安交大中文资源统一检索平台上一一检索，结果如下

表1 各光学分支在中文资源平台的检索数量

注：因为各种数据的因素复杂，上面表中的数据只是大体的反应国内实际状况。

激光在现代光学中的重要作用

在上面的表中，我们注意到用激光这个关键字得到的检索量是很大的，这也恰好说明了激光在现代各种光学分支中的地位。事实上，有些光学分支在激光技术未发现之前只是一个理论的想法而已，例如全息光学；其他好多分支就是因为激光的实现而飞速发展的。由于激光的很多优秀特点，结合机械、医学、加工技术、信息论、军事、能源之后，用它制造了许多高科技性能的产品，诸如激光打标机、激光切割机、激光焊接机、激光模具焊接机、激光雕刻机、激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光管.激光电源、激光镜片等等将来还会更多。

结论

光学的波动说和微粒说进行了好几次交锋之后，才得以确立光的本质：波粒二象性。这个结果也正好说明为什么两种学说在三百年来一直僵持不下。所以这段故事不仅告诉我们科学之花是开在争鸣之后，而且遇过争论时，几种理论貌似都有道理时，何不将其融合，得出一个类似于波粒二象性的结论呢。

回顾光学我的发展史，我们不禁再次感叹马克思的一句话：科学的道路是充满荆棘的。不但如此科学还充满了辩证统一性。到近现代，尽管科学家一直追求一种简洁美，但现实貌似只有越来越艰深的理论才能准确解释客观世界，所以我们不得不把学科分的很细更细，然后在某一个分支中专攻。同时又为了研究问题去会片面化，必需适时的跳出圈子以了解整个物理全貌。

仔细思考便可发现20世纪发展起来的各种光学分支绝大多数都是学科间的交叉结果。事实上各学科的关系是呈网状的，所以在某两个学科还未交叉时，你用心去研究它俩说不定还可成为新学科的奠基人呢！

纵观物理发展史，20世纪的两大理论成果：相对论和量子力学。而这两成果都得益于光学的研究，可见20世纪光学在整个物理学的地位，堪称“下金蛋的母鸡”。但是从科学的角度，物理各个分支无轻重之分的，所以我认为下一个推动理论基础发展的就可能是热学，力学什么的，也有可能还是光学。

从激光在现代科学所起的巨大作用中可看出，有个得力的研究工具是多么重要。由此我才知道为什么ESA花巨资打造哈勃望远镜。我认为不光是工具，性能好的材料也是研究的有力助手。所以当我们研究受阻时，除了在思考问题角度反思，还要想想是否需要一种特殊工具或材料。

   总结了那么多光学是应用分支，无论理论多么美妙绝伦，最终还是的回到应用，不然是么也不是，即科学的最终目的是服务于人类社会，而不单单是满足科学家个人的求知欲。

参考文献：

【1】惠更斯 蔡勖译 20## 光论（北京：北京大学出版社）导读p19-23

【2】窦春升、张掌权 2000宝鸡文理学院学报（自然科学版）Vol20  p146

【3】章志鸣、沈元华、陈慧芬 20## 光学（北京：高等教育出版社）p3、p4

【4】赵凯华 20## 光学 （北京：高等教育出版社）p6

Look at the Profile of the Optical From the Academic Level

-My Own Thoughts of Optical

Li Ming ^?

(department of ****  **** University  Xi’an 710049 China)

Abstract

This paper will take the discussion and thinking of optical from subjects level: First, I will briefly review the history of optics, and a brief introduction of modern optical branch and the important role of the laser. Finally,by the views of application combined with the optical theory and the development of the history of optics ,I have some own ideas- such as the compromise solution of scientific controversies; how to grasp the relationship between specialized and general education; emphasing on interdisciplinary research and helpful tools and materials to the research and application; science is to serve the society rather than simply a tool to meet the curious of scientists.

Keywords: optical history,laser,branches of optical, interdisciplinary

PACC：0165,4290

第二篇：大学物理论文

大学物理小论文 一、

研究

二、

三、

四、

五、

题目：布朗运动及其相关的理论作者姓名：李丹丹 班级：网络工程（2）班 学号：201003020054 指导老师：李成波

题目：布朗运动及其相关的理论研究

作者：李丹丹

摘要：布朗运动的发现、实验研究和理论分析间接地证实了分子的无规则热运动，对于气体动理论的建立以及确认物质结构的原子性具有重要意义，并且推动统计物理学特别是涨落理论的发展。本文就布朗运动的发现及概念、相关物理学概念、数学中的布朗运动、前人对布朗运动的研究过程、爱因斯坦在布朗运动方面做的工作等几个方面进行了介绍，并对布朗运动研究的前景进行了展望。

关键字：布朗运动、扩散定律、随机过程、爱因斯坦(1879-1955)

正文：

1、什么是布朗运动？

悬浮微粒不停地做无规则运动的现象叫做布朗运动（Brownian movement ） 例如，在显微镜下观察悬浮在水中的藤黄粉、花粉微粒，或在无风情形观察空气中的烟粒、尘埃时都会看到这种运动。温度越高，运动越激烈。

它是1827年植物学家R.布朗首先发现的。作布朗运动的粒子非常微小，直 1

径约1~10微米， 在周围液体或气体分子的碰撞下，产生一种涨落不定的净作用力，导致微粒的布朗运动。如果布朗粒子相互碰撞的机会很少，可以看成是巨大分子组成的理想气体，则在重力场中达到热平衡后，其数密度按高度的分布应遵循玻耳兹曼分布。J.B.佩兰的实验证实了这一点，并由此相当精确地测定了阿伏伽德罗常量及一系列与微粒有关的数据。

2、与布朗运动相关的物理学概念

布朗运动的发现、实验研究和理论分析间接地证实了分子的无规则热运动，对于气体动理论的建立以及确认物质结构的原子性具有重要意义，并且推动统计物理学特别是涨落理论的发展。

由于布朗运动代表一种随机涨落现象，它的理论对于仪表测量精度限制的研究以及高倍放大电讯电路中背景噪声的研究等有广泛应用。

下面列举的是一些与布朗运动相关的物理学中的概念：

（1） 涨落

又称起伏.分两种类型，一是平衡态系统中，宏观参量的某次或局部的测量值偏离统计平均值的现象，一是布朗运动.处于平衡态的系统，压强、温度、能量等宏观参量都具有不随时间变化的稳定数值.

（2） 扩散

密度不均匀的物质中热运动引起的质量迁移.同种物质的扩散称为自扩散；混合物中不同组份间的扩散称为互扩散.

（3） 热传导

介质中的热运动把热量从高温区传到低温区的宏观过程.固、液、气态物质中都能发生热传导，并且具有相同的宏观规律.

（4） 粘滞性

又称内摩擦.流体内部宏观相对运动展现的抵消这种运动的特性。

（5） 平均自由程

平衡态气体中，任一分子与其他分子两次相继碰撞之间通过的路程之平均值。

（6）碰撞频率

平衡态气体中任一分子单位时间与其他分子的平均碰撞次数.用符号K表 2

示.

（7） 分子碰撞

相对运动的分子，受分子力的作用，显著改变运动状态的过程.宏观系统均由巨大数量的分子构成.气体分子总是处于热运动状态，频繁碰撞.一个分子同时与多个分子碰撞的概率极小.通常“碰撞”均指两体间的相互作用.

（8） 输运现象

又称输运过程、迁移现象或迁移过程.系统从非平衡态趋向平衡态过程中产生的动量、能量或质量的传输现象.处于非平衡态的孤立系统，总是趋向平衡态，并且经过足够长的时间终将达到平衡态.

（9） 能量均分定理

关于分子热运动动能的经典统计规律.是个近似定理.每个分子都是一个力学体系.在经典力学中，分子的能量是广义坐标和广义动量的函数，数学表达式为含有它们的各平方项之和。

（10） 分子的自由度

决定分子位形所需的独立坐标数目.每个分子都由若干个原子构成.若把原子视为质点，每个原子的位置就由空间坐标ｘ、ｙ、ｚ三个独立参量确定，Ｎ原子分子的自由度为３Ｎ.若分子运动受到限制，自由度会减少.

3、数学中的布朗运动

在数学中，{B(t)}布朗运动(brownian motion)也称为维纳过程，是一个随机过程，而且满足以下性质：

（1）. 独立的增量(independence of increments)

对于任意的t>s, B(t)-B(s)独立于之前的过程B(u):0<=u<=s.

（2）. 正态的增量(normal increments)

B(t)-B(s)满足均值为0方差为t-s的正态分布。即，B(t)-B(0)~ N(0,t)。

（3）. 连续的路径(continuity of paths)

B(t), t>=0是关于t的连续函数。

4、前人对布朗运动研究的过程

布朗运动自发现之后，经过多半个世纪的研究，人们逐渐接近对它的正确认 3

识。到上世纪初，先是爱因斯坦和斯莫卢霍夫斯基的理论，然后是贝兰和斯维德1伯格的实验使这一重大的科学问题得到圆满地解决，并首次测定了阿伏加德罗常数，这也就是为分子的真实存在提供了一个直观的、令人信服的证据，这对基础科学和哲学有着巨大的意义。

5、爱因斯坦的布朗运动理论

为了使分子动理论成为一种精确的物理理论，对分子大小的精确测定是19世纪末至20世纪初一个重要的研究课题．到19xx年，对于分子大小的测定已有几种实验方法．但当时测定的都是气体分子的大小．爱因斯坦的论文——《分子大小的新测定》，首次给出了一种用液体中的现象来测定分子大小的方法．《分子大小的新测定》是爱因斯坦提交给苏黎世大学的博士论文，初稿写于19xx年，后来作了较大的修订，该文将流体力学的技巧与扩散理论相结合，创造了一种测定分子大小和阿伏伽德罗常量的精确度很高的新方法．有关分子动理论的另一篇文章为《热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》．该文实质是用分子动理论或者说用统计的观点及方法，对布朗运动作出理论解释．

到19xx年，爱因斯坦依据分子运动论的原理提出了布朗运动的理论，圆满地回答了布朗运动的本质问题，并导出了解释布朗运动的爱因斯坦公式。

爱因斯坦的成果大体上可分两方面。一是根据分子热运动原理推导：在t时间里，微粒在某一方向上位移的统计平均值，即方均根值，D是微粒的扩散系数。这一公式是看来毫无规则的布朗运动服从分子热运动规律的必然结果。

爱因斯坦成果的第二个方面是对于球形微粒，推导出了可以求算阿式中的η是介质粘度，a是微粒半径，R是气体常数，NA为阿伏加德罗常数。按此公式，只要实际测得准确的扩散系数D或布朗运动均方位 得到原子和分子的绝对质量。爱因斯坦曾用前人测定的糖在水中的扩散系数，估算的NA值为3.3×10^23，一年后(1906)又修改为6.56×10^23。

爱因斯坦的理论成果为证实分子的真实性找到了一种方法， 19xx年，法国物理学家佩兰利用与大气分子垂直分布相类似的胶态粒子在液体中悬浮进行显微镜观察，以前所未有的精确度确认了上述爱因斯坦公式的正确性．

可以说，爱因斯坦有关布朗运动的理论及其实验证实，使以原子一分子学说为基础的分子动理论得以站稳脚根，并向统计力学、统计物理方向发展．从此， 4

用统计的观点分析与研究物理问题成为物理学中一种非常有效而被广泛应用的方法．

6、展望

现在，由对布朗运动的研究而得出的数学和物理方面的理论应经广泛的应用到了各个领域，例如：运用布朗运动，对概率算法中的一个关键公式给予了理论上的证明，并对三维Dirichlet问题提出了概率算法; 广义布朗运动的GirsanoV型测度变换，并利用所得结果解决带漂移的广义布朗单在增轨道上的最大值的概率分布问题;因为纳米粒子布朗运动特性对Micro-／Nano-PIV的使用和与粒子相关的物理现象的研究有重要意义，因此观测200hm荧光粒子的布朗运动，利用单粒子追踪(sl r)算法和自编程序处理图像，获得粒子的均方位移，计算实验扩散系数等。

相信随着人们对布朗运动的研究不断深入，会有更多的领域能够应用到布朗运动的相关知识，而同时，我们对布朗运动的了解也会逐渐增多，不会像现在这样仅仅局限于表层的基础知识。

参考文献：

[1] 杨静， 王丽霞. 爱因斯坦与布朗运动的数学理论[J]

[2] 布朗运动, 百度百科， .

[3] 陈宣毅，布朗运动：从花粉的无规行走到生物与天文[J]

[4] 杨静， 唐泉.维纳和布朗运动[J] ,数学的实践与认识

[5] 程守洙，江之永主编的《普通物理学》。

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