——生活中的光學知識知多少

？ 作者：郭秀金 復旦大學信息科學與工程學院

？？曾經(jīng)看到過的一句話：為了看到光，我來到世上。多么意味深長的話語，當然我不知道命運之神對他做了什么，使他發(fā)出如此感慨。也許在今天許多人看來這句話都略顯虛假，但是這里姑且放下這句話本身，再考慮下如果這句話改寫成:“因為有了光，我看到了這個世界”。我想應該沒有人會認為這句話有失妥當。
？ 正如初高中各學科奧賽試題風格，就是讓所謂的“數(shù)學精英”推理研究那些“自然哲學的定理規(guī)律”一樣，貌似對于再熟悉不過的光我們完全可以通過日常觀察給出明確的定性，但事實上縱觀人類對于光的認識整個經(jīng)歷卻可以用漫長而艱辛來形容。從我國古代《墨經(jīng)》中小孔成像的觀察，17世紀牛頓粒子說與惠更斯波動說的長期爭論，最終波粒二象性的雙重性結束了長達一個半世紀的爭論不休。當然還是想強調科技進步的每一個過程遠不是字面上的寥寥數(shù)語可以涵蓋。
？ 無論如何不得不油然而生一種由衷的幸福，因為有物體發(fā)出的光線進入人眼，經(jīng)過眼睛結構的接受信息轉化在視網(wǎng)膜上成像，我們看到世界呈現(xiàn)出抑或萬物蓬勃生機或人間常情百態(tài)。給了這個世界的存在以深遠的意義。無論怎樣光在人類日常生活，不管科學技術發(fā)展,醫(yī)療保障，或是公共服務事業(yè)等各方面都占據(jù)著舉足輕重的作用。從激光技術、光纖通信、海底光纜等傳輸信號系統(tǒng)等的蓬勃發(fā)展及給人類通信生活帶來的極大便利無疑不正面反映出光學現(xiàn)象與人類生活的緊密相關，但事實上日常生活中，我們卻對這位“密友”了解甚少，甚至存在“偏見”。僅想通過本文歷數(shù)幾件常見光學現(xiàn)象以縮短彼此間的距離，帶領更多人進入這熟悉而又陌生的光學世界。

？？？矚目大千世界——萬紫千紅的自然景象讓無數(shù)詩人為之魂牽夢縈，推敲出無數(shù)佳詞美句為后人廣為傳頌，從“水光瀲滟晴方好，山色空蒙雨亦奇”到“勝日尋芳泗水濱，無邊光景一時新”的閑逸恬靜，從“湖光秋月兩相和，潭面無風鏡未磨”到“綠樹陰濃夏日長，樓臺倒影入池塘”的詩意深沉，總能體會到自然對人類心靈的觸動與思維的啟迪。例如對彩虹的認識從“兩岸絕壁一線天，瀑布彩虹舞山澗”的直觀認識到“赤橙黃綠青藍紫，誰持彩虹當空舞?”的顏色辨識，但是為什么雨后平時毫無艷麗色彩的太陽光居然會欣喜地換上“七彩的新裝”？這里首先要揭穿太陽光的面紗，太陽光實質上由不同波長的光組成，其中最為熟悉的莫過于可見光。雨后空氣中形成小水滴，陽光以不同角度入射，先經(jīng)過一次折射然后在水滴背面反射，最后離開水滴再折射一次，正是由于水滴對不同波長光的折射率存在差異導致色散(不同波長的光通過不同的傳播路徑)現(xiàn)象的產(chǎn)生。又由于對藍光的折射率大于紅光的折射率使得紅光具有比其他光大的折射角于光譜的最上方，由“赤、橙、黃、綠、藍、靛、紫”依次排列，最終構成眼見的七色彩帶。

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？？ 當驚喜于懸掛天際絢麗紐帶的同時，奇花異草的爭奇斗艷也往往成為令人賞心悅目的亮點。而視覺感知的外界現(xiàn)象通常是經(jīng)由物體發(fā)射光線，然后傳入人眼視覺感知器官經(jīng)神經(jīng)中樞形成相應于形色的反饋。即人眼感知自然界萬物的作用機理是物體反射光線形成視覺效應，這點經(jīng)常為眾人所忽視甚至誤解，認為光是從物體自身發(fā)出的光，其實并非如此，能夠產(chǎn)生光的是光源，諸如太陽等自然發(fā)光體、燈源及激光等人造光源，自然界大多數(shù)物體為人所見是物體反射光線進入人眼之故。例如紅花之所以為紅色是陽光照射到花瓣上，由于花瓣中含有花青等色素，只吸收除紅光以外的其它波段所以反射出紅光,為人眼接受后呈現(xiàn)出紅色。同樣對于其紫色、橙色等各式含有色素的花朵。但是對于白花會顯示白色可能需要稍作解釋，因為白花中僅含有極少量色素，所以將太陽光所有波段的光線全部反射進入眼中，“七色光”混合即呈現(xiàn)出日長見到的白光。這里舉一個相關的趣味光學現(xiàn)象：眾所周知，洗印照片定影過程背景燈是紅色的，試想此時有一位穿黃色衣服的工作人員進入，在其他人看來衣服是什么顏色的？有些人可能對美術有興趣認為黃紅顏料相配顯現(xiàn)的理所當然是橙色，但事實上并非如此，其實答案很簡單，只要記住物體顯色的機制是反射光線，對于黃色衣服的話并沒有反射任何光線所以呈現(xiàn)黑色；進一步考慮如果他穿的是紅色衣服，那么由于衣服反射紅光而呈現(xiàn)紅色。匯總無數(shù)看似并不起眼的光反射現(xiàn)象便構成了自然界無數(shù)光鮮靚麗的景象。
？ 欣喜于紛繁復雜、美艷迷人的自然界景象帶來的視覺沖擊的同時，人們的審美需求也與日俱增，不論在休閑娛樂抑或工作生活等方面。但正如法國著名雕塑家羅丹所言“世界上不是缺少美，而是缺少發(fā)現(xiàn)美的眼睛”，我們常常對這些“美”熟視無睹，殊不知哪怕并不起眼的泡沫亦有其令人贊嘆之處。例如司空見慣的啤酒泡沫，日常中見到的啤酒多時燕麥等釀制成，最終制成的啤酒是黃色但是泡沫確實白色，這不禁讓關注生活細節(jié)的人抓耳撓腮。其實道理很簡單，泡沫是大量小氣泡組成，可以從不同角度分散太陽光線，由于體積較小各種波長光線融合為人眼接受看起來是白色的。但是細心的人可能會發(fā)現(xiàn)吹肥皂泡時看到的卻是“五顏六色”，因為肥皂泡較大且在空中飄飛時由于薄膜表面液體受重力作用向下聚集導致形成的膜面并不等厚均一而是一個上窄下寬的契狀，當光線入射到膜面由于不同波段可見光折射率及傳播路徑的差異，由干涉現(xiàn)象而呈現(xiàn)出斑斕色彩。

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？？？？？ 古語有云“愛美之心人皆有之”，在關注絢麗多彩生活元素的同時，作為當事人的我們對待“美”可謂執(zhí)著地追求。追溯起來滿足人們愛美心理最原始的輔助工具便是水面，經(jīng)?？梢钥吹焦女嬛忻枘∫晃淮拱l(fā)女子以湖面為鏡稍作梳妝，直至今天仍可見此情此景，而它之所以可以真實呈現(xiàn)被照物就是因為成理想像，不會對物體進行放大或縮小。漸漸隨著娛樂需求的轉變，“扭曲”形象的鏡子應運而生—哈哈鏡，喜歡逛商場的人群對之應該并不陌生，有些鏡子可以顯瘦而有些作用相反，其實探知機理其實沒有什么高深的奧秘，僅僅因為它們的鏡面是或凹或凸而并非一度平整的鏡面，使得物體被相應的放大或縮小，最終呈現(xiàn)在眼前的就是失真的像。追究其原理其實非常簡單，但許多商店設計特別的鏡面應用于試衣間或宣傳柜來吸引消費者，最后獲得豐厚的利潤回報。
諸如此類現(xiàn)象在日常生活中極其常見但是卻往往為人所不解的光學現(xiàn)象其實非常多，主要是因為缺乏相應的基本常識，當然還有“以訛傳訛”、“道聽途說”等現(xiàn)象的干擾影響，希望通過本文對些許現(xiàn)象稍作解釋與普及，并引起大家對身邊“細枝末節(jié)”的關注成為生活的有心人，洞察生存哲學，豐盈人生智慧。