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崎這兩座日本城市，迫使日本不得不無條件投降。應(yīng)該說，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)生爆炸的水下魚雷，第二次世界大戰(zhàn)實(shí)際上也是一場科學(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。“我們世界中的物理”這套叢書的目標(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)，書中只涉及一些簡單的等式。讀者并不需要具備專門的數(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，叢書的每一冊(cè)都涉獵了非常廣泛的材料。我曾經(jīng)參加過一個(gè)討論會(huì)，會(huì)上一位年輕學(xué)生問教授們，是否需要備有最新版本的物理教科書。有一位教授回答說，不，因?yàn)槲锢韺W(xué)的原理“多年來一直沒有改變”。這個(gè)說法大體上是對(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、過去的以及不遠(yuǎn)的將來的……

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)，通過頻率、波長、光譜等來描畫光的性質(zhì)，通過折射和反射來描述光的行為，并且把光和電磁場巧妙地聯(lián)系起來。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一斑。人類對(duì)自身和對(duì)宇宙的探索從來都沒有離開過光——這種無所不在的，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。人類還遠(yuǎn)未解開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)”叢書中的《光學(xué)》一書的作者之一。

書籍目錄

前言鳴謝簡介1 光——照耀宇宙光與電磁光譜頻率和波長波和粒子太陽輻射來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)萬物透鏡和反射鏡反射和折射律人的視覺三維：立體視覺校正視覺誤差海市蜃樓和幻覺顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡照相機(jī)和攝影3 色彩色彩的視覺波長與色彩彩虹天藍(lán)藍(lán)，夕陽紅浮油和肥皂泡彩色打印4 激光測量到月球的距離受激輻射發(fā)射的光放大光盤(CD)和數(shù)字化視頻光盤(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)透過皮膚觀察光在未來醫(yī)療中的應(yīng)用6 電磁輻射與字宙無線電波射電天文學(xué)——通過無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 來自太陽的能量捕捉太陽的能量太陽能太空船和探測儀結(jié)語國際單位制及其轉(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和磁場構(gòu)成的?！皥觥笔俏锢韺W(xué)家們用來描述一種物質(zhì)所發(fā)生的作用的方式。電荷產(chǎn)生了一種電力，這種電力影響了周圍空間中的其他帶電物體，所以物理學(xué)家們就說在空間中存在著一種電場。這種原理同樣適用于磁性和磁場。場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)語的重要之處在于變化著的電場和磁場相互作用，我們把這個(gè)過程稱之為電磁感應(yīng)。電場和磁場經(jīng)常相互產(chǎn)生：隨著時(shí)間變化的電場能產(chǎn)生磁場，隨著時(shí)間變化的磁場能產(chǎn)生電場。這些場相互作用而產(chǎn)生，一個(gè)場產(chǎn)生另一個(gè)場，接著另一個(gè)又反過來產(chǎn)生了原先的那個(gè)場。這就是我們所知的電磁放射物或者是電磁波。雖然光看起來和電或者是磁沒有關(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

視覺是光賜予人類最偉大的禮物。在安全的距離外，太陽用電磁輻射淹沒了地球。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。光的能量目前還沒有完全的被開發(fā)。植物的光合作用對(duì)地球萬物都很重要，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，美國太空總署試驗(yàn)用一束線偏振光束來維持小飛機(jī)的高度，在未來的幾年中，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系，甚至行駛到太陽系外。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。只要飛船離太陽系距離不遠(yuǎn)(而且方向正確)，太陽光就能夠提供足夠的推動(dòng)力。為了提高機(jī)動(dòng)性，也為了能夠在太陽很遠(yuǎn)的距離外能夠操作，福沃德提出，在航行的過程中使用激光。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系深處，或者載出太陽系之外。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)中的不長的距離并沒有讓人失望。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)太陽系很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的地方，甚至飛出太陽系，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。美國太空總署正在考慮將來用這種方法來輔助推動(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”系列叢書之一。該書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，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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