光與光學(xué)

前言

1945年，兩枚核彈終結(jié)了第二次世界大戰(zhàn)，這是對(duì)物理學(xué)威力的一次展示，讓人惶恐而又令人信服。由世界上最杰出的一些科學(xué)頭腦醞釀出的這次核爆炸摧毀了廣島和長(zhǎng)崎這兩座日本城市，迫使日本不得不無(wú)條件投降。應(yīng)該說(shuō)，物理學(xué)和物理學(xué)家的身影貫穿于第二次世界大戰(zhàn)的始終，而原子彈只是最生動(dòng)的一個(gè)例子。從那些用于炸壩的在水中跳躍前進(jìn)的炸彈，到那些感應(yīng)到船體出現(xiàn)便發(fā)生爆炸的水下魚(yú)雷，第二次世界大戰(zhàn)實(shí)際上也是一場(chǎng)科學(xué)的較量。第二次世界大戰(zhàn)讓所有人，包括那些多疑的軍事領(lǐng)導(dǎo)人相信，物理學(xué)是一門(mén)很重要的科學(xué)。然而，物理學(xué)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)延伸到了戰(zhàn)場(chǎng)之外，物理學(xué)原理幾乎關(guān)系到世界的每個(gè)部分，觸碰了人們生活的方方面面。颶風(fēng)、閃電、汽車(chē)引擎、眼鏡、摩天大廈、足球，甚至包括我們?cè)趺醋?、怎么跑，所有這一切都要服從科學(xué)規(guī)律的安排。在諸如核武器這樣的話題或者有關(guān)宇宙起源的最新理論面前，物理學(xué)和我們?nèi)粘Ｉ畹年P(guān)系往往顯得黯然失色?！拔覀兪澜缰械奈锢怼边@套叢書(shū)的目標(biāo)就是去探究物理學(xué)應(yīng)用的各個(gè)方面，描述物理學(xué)如何影響科技、影響社會(huì)，如何幫助人們理解宇宙及其各個(gè)相互聯(lián)系的組成部分的性質(zhì)和行為。叢書(shū)覆蓋了物理學(xué)的主要分支，包括如下主題：力學(xué)與動(dòng)力學(xué)電學(xué)與磁學(xué)時(shí)間與熱動(dòng)力學(xué)光與光學(xué)原子與材料粒子與宇宙“我們世界中的物理”叢書(shū)的每一冊(cè)都闡釋了有關(guān)某個(gè)主題的基本概念，然后討論了這些概念的多種應(yīng)用。雖然物理學(xué)是數(shù)學(xué)類學(xué)科，但這套叢書(shū)主要聚焦于思想的表達(dá)，而數(shù)學(xué)知識(shí)并不是重點(diǎn)，書(shū)中只涉及一些簡(jiǎn)單的等式。讀者并不需要具備專門(mén)的數(shù)學(xué)知識(shí)，當(dāng)然，對(duì)于初等代數(shù)的理解在有些時(shí)候還是很有幫助的。實(shí)際上，每一冊(cè)可以討論的話題的數(shù)量幾乎是無(wú)限的，但我們只能選取其中的一部分。令人遺憾的是，不少有趣的東西就這樣不得不被省略掉。然而，叢書(shū)的每一冊(cè)都涉獵了非常廣泛的材料。我曾經(jīng)參加過(guò)一個(gè)討論會(huì)，會(huì)上一位年輕學(xué)生問(wèn)教授們，是否需要備有最新版本的物理教科書(shū)。有一位教授回答說(shuō)，不，因?yàn)槲锢韺W(xué)的原理“多年來(lái)一直沒(méi)有改變”。這個(gè)說(shuō)法大體上是對(duì)的，但這只是對(duì)物理學(xué)的效力的一個(gè)證明。物理學(xué)的另一個(gè)支撐來(lái)源于建立在這些原理之上的令人吃驚的諸多應(yīng)用，這些應(yīng)用仍在不斷擴(kuò)展和變化，其速度之快非同尋常。蒸汽機(jī)已經(jīng)讓位給了用在跑車(chē)和戰(zhàn)斗機(jī)上的強(qiáng)大內(nèi)燃機(jī)，而電話線也正在被光導(dǎo)纖維、衛(wèi)星通訊和手機(jī)等取代。這套叢書(shū)的目標(biāo)就是鼓勵(lì)讀者去發(fā)現(xiàn)物理學(xué)在各個(gè)方面、各個(gè)領(lǐng)域所起的作用，現(xiàn)在的、過(guò)去的以及不遠(yuǎn)的將來(lái)的……

內(nèi)容概要

　　《光與光學(xué)》介紹了科學(xué)家是如何探索光本身的性質(zhì)，通過(guò)頻率、波長(zhǎng)、光譜等來(lái)描畫(huà)光的性質(zhì)，通過(guò)折射和反射來(lái)描述光的行為，并且把光和電磁場(chǎng)巧妙地聯(lián)系起來(lái)。在對(duì)光的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，科學(xué)家們能夠解釋奇妙的光學(xué)現(xiàn)象，比如海市蜃樓、色彩和三維成像。更重要的是，他們制造出精密的光學(xué)儀器，比如顯微鏡和天文望遠(yuǎn)鏡，使我們的視野擴(kuò)展到肉眼無(wú)法企及的微觀世界和宏觀世界。也是基于對(duì)光的認(rèn)識(shí)，光在醫(yī)學(xué)、軍事、通訊和能源領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。從激光手術(shù)到移動(dòng)手機(jī)，再到太陽(yáng)能，我們的生活因?yàn)楣鈱W(xué)而變得多彩、方便和豐富。不僅如此，正是因?yàn)橛辛斯?，光合作用才能夠進(jìn)行，我們才有了萬(wàn)物生生不息。　　創(chuàng)世紀(jì)中，上帝造物第一日創(chuàng)造的便是光。光在我們生活中的重要性由此可見(jiàn)一斑。人類對(duì)自身和對(duì)宇宙的探索從來(lái)都沒(méi)有離開(kāi)過(guò)光——這種無(wú)所不在的，隱形的，把波和粒子的行為方式奇妙地結(jié)合在一起的能量和輻射?！　∥锢韺W(xué)遠(yuǎn)不僅僅是核技術(shù)和宇宙起源理論。物理學(xué)就在我們的生活中，一睜眼，一幅照片，一張CD，一次手機(jī)通話等等，都隱藏著物理學(xué)的學(xué)問(wèn)。人類還遠(yuǎn)未解開(kāi)光和大自然的所有奧秘。細(xì)心觀察生活的人將得到大自然的啟不。

作者簡(jiǎn)介

作者：(美)凱爾·柯克蘭德 譯者：文清 元旭津 蒲實(shí)凱爾·柯克蘭德博士(Kyle Kikland)，1998年在賓夕法尼亞大學(xué)獲得神經(jīng)科學(xué)的博士學(xué)位，主要研究方向是視覺(jué)系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。他的跨學(xué)科背景和興趣促使他發(fā)表了關(guān)于科學(xué)的歷史以及科學(xué)在當(dāng)前和未來(lái)對(duì)社會(huì)的影響等多篇文章。凱爾·柯克蘭德同時(shí)也是Facts On File出版公司出版的“科學(xué)與技術(shù)焦點(diǎn)”叢書(shū)中的《光學(xué)》一書(shū)的作者之一。

書(shū)籍目錄

前言鳴謝簡(jiǎn)介1 光——照耀宇宙光與電磁光譜頻率和波長(zhǎng)波和粒子太陽(yáng)輻射來(lái)自星星的光吸收和放射光譜紅移和不斷膨脹的宇宙多普勒效應(yīng)2 光學(xué) 呈現(xiàn)萬(wàn)物透鏡和反射鏡反射和折射律人的視覺(jué)三維：立體視覺(jué)校正視覺(jué)誤差海市蜃樓和幻覺(jué)顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡照相機(jī)和攝影3 色彩色彩的視覺(jué)波長(zhǎng)與色彩彩虹天藍(lán)藍(lán)，夕陽(yáng)紅浮油和肥皂泡彩色打印4 激光測(cè)量到月球的距離受激輻射發(fā)射的光放大光盤(pán)(CD)和數(shù)字化視頻光盤(pán)(DVD)中使用的激光器纖維光學(xué)全息攝影術(shù)星球大戰(zhàn)：戰(zhàn)略防御計(jì)劃乘坐激光旅行5 光為生命體和醫(yī)療帶來(lái)的幫助暗處的光亮熒光素酶：一種促進(jìn)發(fā)光的酶將光轉(zhuǎn)化為食物生物鐘與光在黑暗中尋找獵物激光外科手術(shù)透過(guò)皮膚觀察光在未來(lái)醫(yī)療中的應(yīng)用6 電磁輻射與字宙無(wú)線電波射電天文學(xué)——通過(guò)無(wú)線電波觀察宇宙微波紅外線和紫外線X射線和伽馬射線7 電磁輻射與通訊天線和廣播麥斯韋爾方程廣播和電視移動(dòng)電話8 擴(kuò)展可視域在光線下尋找用雷達(dá)發(fā)現(xiàn)可疑物體并跟蹤橫波與偏振現(xiàn)象太赫茲“穿墻眼”9 來(lái)自太陽(yáng)的能量捕捉太陽(yáng)的能量太陽(yáng)能太空船和探測(cè)儀結(jié)語(yǔ)國(guó)際單位制及其轉(zhuǎn)換譯者感言

章節(jié)摘錄

1　光——照耀宇宙光與電磁光譜電磁放射物是由變化著的穿越空間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成的。“場(chǎng)”是物理學(xué)家們用來(lái)描述一種物質(zhì)所發(fā)生的作用的方式。電荷產(chǎn)生了一種電力，這種電力影響了周?chē)臻g中的其他帶電物體，所以物理學(xué)家們就說(shuō)在空間中存在著一種電場(chǎng)。這種原理同樣適用于磁性和磁場(chǎng)。場(chǎng)存在于空間中并且作用于其他物體。電磁放射物這個(gè)術(shù)語(yǔ)的重要之處在于變化著的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互作用，我們把這個(gè)過(guò)程稱之為電磁感應(yīng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)經(jīng)常相互產(chǎn)生：隨著時(shí)間變化的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng)，隨著時(shí)間變化的磁場(chǎng)能產(chǎn)生電場(chǎng)。這些場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生，一個(gè)場(chǎng)產(chǎn)生另一個(gè)場(chǎng)，接著另一個(gè)又反過(guò)來(lái)產(chǎn)生了原先的那個(gè)場(chǎng)。這就是我們所知的電磁放射物或者是電磁波。雖然光看起來(lái)和電或者是磁沒(méi)有關(guān)系，實(shí)際上它和兩者是緊密聯(lián)系的。在19世紀(jì)，蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clenk Maxuiell，1831—1879年)得出了表示電磁現(xiàn)象的基本公式，這一公式將在本書(shū)的第7章涉及。并且他提t(yī)tl一個(gè)理論，即光是一種電磁放射物。麥克斯韋的理論在幾年后得到了在實(shí)驗(yàn)室里研究電磁放射物的德國(guó)物理學(xué)家海因里?！ず掌?Heinrich Hertz，1857—1894年)的支持。光是電磁放射物的一種表現(xiàn)形式。

后記

視覺(jué)是光賜予人類最偉大的禮物。在安全的距離外，太陽(yáng)用電磁輻射淹沒(méi)了地球。這些電磁輻射在物體間跳躍，眼睛捕獲了光線，這樣大腦就能夠看到壯觀的大干世界。光學(xué)的科學(xué)與技術(shù)還大大擴(kuò)展了我們的視野——包括激光儀器，能夠發(fā)出收束連續(xù)的光束，在月亮與地球間往返。光的能量目前還沒(méi)有完全的被開(kāi)發(fā)。植物的光合作用對(duì)地球萬(wàn)物都很重要，而人類的技術(shù)還未能像綠色植物那樣成功地把光轉(zhuǎn)化為能量。雖然物理學(xué)家和煉鐵工人已經(jīng)可以用激光刀切割，光電池已經(jīng)可以吸收光子來(lái)發(fā)電，但是電磁波的巨大潛能仍未得到充分的運(yùn)用。在第4章中提到，美國(guó)太空總署試驗(yàn)用一束線偏振光束來(lái)維持小飛機(jī)的高度，在未來(lái)的幾年中，光能會(huì)在能源領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。它甚至可能使人類首次駛向星際。電磁輻射由光子構(gòu)成(至少在輻射的行為不同于波時(shí)是這樣)，和所有的微粒一樣。光子會(huì)彈跳，并且會(huì)和其他的物體發(fā)生碰撞。光子的碰撞很輕微，在更強(qiáng)大的力量下就被抵消掉，所以在地球表面很難檢測(cè)到。但是在地球大氣外的真空空間里，光對(duì)物體產(chǎn)生的壓力會(huì)有重要和明顯的影響?？茖W(xué)家和科幻小說(shuō)家羅伯特·L.福沃德(Robert L.ForWard，1932—2002年)提出，宇航員也許會(huì)乘坐著一艘船穿越太陽(yáng)系，甚至行駛到太陽(yáng)系外。但是推動(dòng)遠(yuǎn)航的力量，不是風(fēng)，而是光。彈射到巨型宇宙飛船上的光子，能夠產(chǎn)生巨大的能量，把飛船加速推送進(jìn)太空。只要飛船離太陽(yáng)系距離不遠(yuǎn)(而且方向正確)，太陽(yáng)光就能夠提供足夠的推動(dòng)力。為了提高機(jī)動(dòng)性，也為了能夠在太陽(yáng)很遠(yuǎn)的距離外能夠操作，福沃德提出，在航行的過(guò)程中使用激光。激光的光束不會(huì)因?yàn)榫嚯x而發(fā)散，而且能量集中，能夠推動(dòng)航行，把乘客或貨物載人太陽(yáng)系深處，或者載出太陽(yáng)系之外。萊克·邁拉博(Leik Myrabo)是倫瑟萊爾工藝學(xué)校的教授，他和他的同事們一起，在新墨西哥的導(dǎo)彈發(fā)射基地進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試用激光和光作為宇航推動(dòng)力。在一次實(shí)驗(yàn)中，激光束把宇航船抬到了71米的高度。這些實(shí)驗(yàn)中的不長(zhǎng)的距離并沒(méi)有讓人失望。在地球表面，太空飛行要克服巨大的重力和風(fēng)的阻力，但在太空中，幾乎沒(méi)有任何阻力。在這種情況下，激光就可以使飛船加速到相當(dāng)高的速度，同時(shí)在沒(méi)有風(fēng)力阻礙的情況下，飛船可以做得很薄，表面積很大，這樣就能夠反射最大數(shù)量的光。根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，對(duì)于給定的力F，重力m越小，意味著加速度口的值越大，因?yàn)閍=F／m。如果要到達(dá)太陽(yáng)系很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的地方，甚至飛出太陽(yáng)系，激光的力量就必須非常強(qiáng)大，比今天任何的激光都要強(qiáng)大才行。但是在理論上，這種飛船是可以實(shí)現(xiàn)的。美國(guó)太空總署正在考慮將來(lái)用這種方法來(lái)輔助推動(dòng)太空飛船。也許有一天，人們可以乘坐光能推動(dòng)的飛船，飛向所有的星星。

編輯推薦

《光與光學(xué)》為“我們世界中的物理”系列叢書(shū)之一。該書(shū)探討了電磁輻射科學(xué)和它的廣泛應(yīng)用，還探討了光的各種屬性、光學(xué)儀器和工具之間的關(guān)系。人們對(duì)于核技術(shù)和宇宙起源等物理理論耳熟能詳，而對(duì)于日常生活的物理現(xiàn)象卻知之甚少?！拔覀兪澜缰械奈锢怼笔且惶?冊(cè)叢書(shū)，全景式地描述了對(duì)技術(shù)和社會(huì)產(chǎn)生影響的物理現(xiàn)象，有助于人們了解宇宙的本質(zhì)和規(guī)律。

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