光學3分鐘：從入門到放棄

Hello~大家好~這裡是物理所科學電台~伴隨著一場場春雨的洗禮，春天正式登場啦~一說到春天啊，我耳中不自覺的就浮出趙忠祥老師的聲音：春暖花開，萬物復甦，又到了……不對，言歸正傳！又到了熊孩子活力四射滿院子撒歡的季節！

一說起熊孩子呀，小時候我是個驅雞趕狗、上房揭瓦，帶小夥伴來砸自家玻璃的熊孩子，調皮的我沒少給大人們添麻煩。在當時，我很為自己自豪。可惜那時我還太年輕，並不知道這世間的一切，早已在暗中標好了代價。長大後我遭到了命運的無情報復，我身邊出現的熊孩子往往比其他人多數倍，我把這種情況命名為「熊孩子聚集定理」，即熊孩子總能在一堆大人里分辨出誰曾經是自己的同類，並迅速和這個同類混在一起，纏到他崩潰。而且，奇怪的是，我常常只碰到一種熊孩子—那就是號稱「十萬個為什麼」的問題少年，這種熊孩子對什麼都好奇，對什麼都有疑問。經常就是「如果我對站到樹後的你使用阿瓦達索命，你能活命嘛」、「鏡子里看到的我為啥那麼帥」、「腳伸到水裡為什麼會彎曲」、「陽光下的泡末為什麼是彩色的」「為什麼天空是藍色的」、「怎樣能把自己拍的猶如天神降臨」。對於這些奇奇怪怪的問題，機智如我也常常被問的膛目結舌，深感熊孩子的強大和可怕。

我也曾思考過，熊孩子們的這些問題有什麼共性，經過一定時間的研究，我發現，他們所有的問題都可以用光學的理論加以解釋，並在內部自洽。

為什麼都是和光相關呢，可能是熊孩子們受年齡限制，知識儲備不算很高，而光恰恰是我們自出生以來見得最多的東西（「見得最多」在這裡用得真是一點也不錯）所以我特意編寫了這個教程，可以迅速回答9成「問題少年」的奇葩問題，並使其再也不敢輕易發問。

光沿直線傳播

先回答「如果我對站到樹後的你使用阿瓦達索命，你有幾成活命幾率」。

看過電影的都知道，阿瓦達索命其實是一道綠光。

光究竟是什麼東西呢？古代的希臘人相信「四元素說」，認為世界是由水、火、氣、土四大元素組成的，而光就是人眼射出的火元素。

不得不說講到這，很多熊孩子就滿意了。因為這可以說明，為什麼我們睜著眼可以看見，而閉上眼睛就不行；但它解釋不了為什麼在暗的地方，我們即使睜著眼睛也看不見東西。

這就得提到小孔成像實驗了，這個實驗極其好做。

用一個帶有小孔的板，遮擋在牆體與物之間，牆體上就會形成物的倒影，我們把這樣的現象叫小孔成像。前後移動中間的板，牆體上像的大小也會隨之發生變化，這種現象說明了光沿直線傳播的性質。

基於此，阿瓦達索命這束綠光，頂多是能量大些的激光。雖然能量大，但是也必須滿足光的基本性質。所以它必須先直射到樹上，擊穿樹後才能傷害到樹後的我。

光的反射

在回答「鏡子里看到的我為啥那麼帥」這個問題前，首先我們需要了解以下事實，實際我們認識到自己的樣貌，只能通過兩個途徑：成像設備（照相機）或者鏡面（鏡子、水面）。

你感覺自己變帥/美，主要是由於這兩種途徑得到的結果不一樣，鏡面給你的感覺似乎更好，或者說你覺得自己有些不上相。

這兩種途徑都有一個基本的條件，就是光的反射。

當光照到一個物體上，一般會出現兩種反射情況：「鏡面反射」和「漫反射」。日落後暫時還能看見物體，就是因為空氣中塵埃引起光的漫反射的緣故。

實際物體反射光通常是鏡面反射和漫反射的結合，各部分的光強其實是不同的，我們要注意的是，這裡會出現一個灰區。

在人臉上體現就是：當光照在你的臉上，如果臉型有稜有角，稜角處由於反射不好而出現灰區。當拍出照片時，這種灰區會被大腦選擇性忽視，就可能導致你的照片，看起來臉比較小/比較有型。這對於肉臉的同學就比較悲劇了，因為你的臉反射賊好，照出來沒有灰區，看著就是個大臉盤子…

就是說，人眼看物體有縱深、有立體感，整體顯瘦。而機器只會忠實的記錄，會顯胖。

光的折射

「腳伸到水裡為什麼會彎曲」呢，這得說到一個著名的不務正業人員--費馬先生。這位同志是個法國的富二代，賊有錢的那種。那會兒法國最講究的職業就是當律師，費老爹一合計，就給兒子買了個律師資格，所以費馬還在讀書的時候就已經是費馬律師了。

照說他之後的人生，就該和別的富二代一樣，吃喝玩樂、欺男霸女。但是這個費馬他有點玩物喪志，而且他玩的這個東西不一般。別人玩賽馬和舞會，費律師卻喜歡玩數學和物理。

他看到前人對光的性質做了很多工作，僅描述光走直線和光會折射這兩條定理的書和文獻，就浩浩湯湯汗牛充棟，看的人腦殼疼。

他就想，折射不就是抄近路么，光走著走著發現一條近路，它又不傻，肯定走近路嘛。

就這樣，別人寫了幾十萬字的兩個性質，最後竟被他用簡單的一句話概括了：「光總是走最短的路線」。

孩子們啊，你們可要好好感謝費馬，他為減少你們以後的背誦任務可下了不少功夫。

光的衍射

回到阿瓦達索命那個問題，不講道理的熊孩子一定要讓躲在樹後瑟瑟發抖的我死於那道綠光可怎麼辦啊？這當然也是可以的，衍射嘛。

之前說光是沿直線傳播的，但它也不是二愣子，有時候也挺雞賊，它碰到障礙物會繞行，這種性質就叫衍射。最常見的例子就是，陽光下的電線杆是沒有影子的。

怎麼理解衍射呢？義大利的數學教授格里馬第就做了一個實驗，他讓一束光穿過兩個小孔後照到暗室里的屏幕上，發現在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格里馬第馬上聯想起了水波的衍射（這個大家在中學物理的插圖上應該都見過）

於是他提出：光可能是一種類似水波的波動，這就是最早的光波動說。劃重點，光是一種波動的理論出現了哦。

光的干涉

大家可能都聽過鄧紫棋的泡沫，別出心裁的熊孩子就會問，「陽光下的泡末為什麼是彩色的」，這其實是一種光的薄膜干涉現象。

我們都知道，普通的物質是具有累加性的，1+1肯定等於2；一滴水加上一滴水一定是兩滴水，而不會一起消失。

但是之前說了，光是波動啊，那就不同了。

一列普通的波，它有著波的高峰和波的谷底，如果兩列波相遇，當它們正好都處在高峰時，那麼疊加起來的這個波就會達到兩倍的峰值，如果都處在低谷時，疊加的結果就會是兩倍深的谷底。

但是，等等，如果正好一列波在它的高峰，另外一列波在它的谷底呢？答案是它們會互相抵消。如果兩列波在這樣的情況下相遇（物理上叫做「反相」），那麼在它們重疊的地方，將會波平如鏡，既沒有高峰，也沒有谷底。這就像一個人把你往左邊拉，另一個人用相同的力氣把你往右邊拉，結果是你會站在原地不動。

光的散射

最後我們來聊聊「怎樣能把自己拍的猶如天神降臨」？

話說也太自戀了吧，小朋友！

這還是和光有關，介紹一種神奇的玩法，叫做「耶穌光」，用了這種玩法就能猶如天神降臨。為什麼呢？其實就是物理上的丁達爾效應，也有人叫雲隙光。

其實這個問題和「天為什麼是藍色的」、「海為什麼是藍色的」一樣，都是由於光的散射。

當我們玩呲水槍時，你會發現呲到別人身上的水也會濺你一身。實際上，你也可以把光理解成你呲出去的一束水，它呲到空氣、液體以及膠體上，就會出現瑞利散射（天之藍）、拉曼散射（海之藍）和丁達爾效應（雲隙光）。

實際上，寫到這裡大家可能也明白了，這篇文章其實是借給熊孩子「治病」的名義，講解了光的幾種最基本的性質。

事實上我們人類認識和研究光，也確實是如孩童般經歷了上述幾個過程，希望大家都能體會先賢傳承知識的不易，把這些智慧的結晶代代相傳下去。

好了~收服熊孩子，帶他走上科研的不歸路的方法我已經交給你了！接下來，從哪弄個孩子就是你們自己的事啦~請各位加油咯~我們下期節目再見~

參考文獻

1. 羅素. 西方哲學史[J]. 2005.

2. 歐幾里德. 《反射光學》.

3. 費馬. .

4. 笛卡兒. 《方法論》.

5. 程路. 薄膜干涉條紋的定域[J]. 大學物理, 1982, 1(6):8-13.

6. 沈元壤. 非線性光學原理, 上[M]. 科學出版社, 1987.

7. 曹天元. 量子物理史話[M]. 遼寧教育出版社, 2008.

編輯：吉星

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