光学3分钟：从入门到放弃

一说起熊孩子呀，小时候我是个驱鸡赶狗、上房揭瓦，带小伙伴来砸自家玻璃的熊孩子，调皮的我没少给大人们添麻烦。在当时，我很为自己自豪。可惜那时我还太年轻，并不知道这世间的一切，早已在暗中标好了代价。长大后我遭到了命运的无情报复，我身边出现的熊孩子往往比其他人多数倍，我把这种情况命名为“熊孩子聚集定理”，即熊孩子总能在一堆大人里分辨出谁曾经是自己的同类，并迅速和这个同类混在一起，缠到他崩溃。而且，奇怪的是，我常常只碰到一种熊孩子—那就是号称“十万个为什么”的问题少年，这种熊孩子对什么都好奇，对什么都有疑问。经常就是“如果我对站到树后的你使用阿瓦达索命，你能活命嘛”、“镜子里看到的我为啥那么帅”、“脚伸到水里为什么会弯曲”、“阳光下的泡末为什么是彩色的”“为什么天空是蓝色的”、“怎样能把自己拍的犹如天神降临”。对于这些奇奇怪怪的问题，机智如我也常常被问的膛目结舌，深感熊孩子的强大和可怕。

我也曾思考过，熊孩子们的这些问题有什么共性，经过一定时间的研究，我发现，他们所有的问题都可以用光学的理论加以解释，并在内部自洽。

为什么都是和光相关呢，可能是熊孩子们受年龄限制，知识储备不算很高，而光恰恰是我们自出生以来见得最多的东西（“见得最多”在这里用得真是一点也不错）所以我特意编写了这个教程，可以迅速回答9成“问题少年”的奇葩问题，并使其再也不敢轻易发问。

先回答“如果我对站到树后的你使用阿瓦达索命，你有几成活命几率”。

看过电影的都知道，阿瓦达索命其实是一道绿光。

光究竟是什么东西呢？古代的希腊人相信“四元素说”，认为世界是由水、火、气、土四大元素组成的，而光就是人眼射出的火元素。

不得不说讲到这，很多熊孩子就满意了。因为这可以说明，为什么我们睁着眼可以看见，而闭上眼睛就不行；但它解释不了为什么在暗的地方，我们即使睁着眼睛也看不见东西。

这就得提到小孔成像实验了，这个实验极其好做。

用一个带有小孔的板，遮挡在墙体与物之间，墙体上就会形成物的倒影，我们把这样的现象叫小孔成像。前后移动中间的板，墙体上像的大小也会随之发生变化，这种现象说明了光沿直线传播的性质。

基于此，阿瓦达索命这束绿光，顶多是能量大些的激光。虽然能量大，但是也必须满足光的基本性质。所以它必须先直射到树上，击穿树后才能伤害到树后的我。

在回答“镜子里看到的我为啥那么帅”这个问题前，首先我们需要了解以下事实，实际我们认识到自己的样貌，只能通过两个途径：成像设备（照相机）或者镜面（镜子、水面）。

你感觉自己变帅/美，主要是由于这两种途径得到的结果不一样，镜面给你的感觉似乎更好，或者说你觉得自己有些不上相。

这两种途径都有一个基本的条件，就是光的反射。

当光照到一个物体上，一般会出现两种反射情况：“镜面反射”和“漫反射”。日落后暂时还能看见物体，就是因为空气中尘埃引起光的漫反射的缘故。

实际物体反射光通常是镜面反射和漫反射的结合，各部分的光强其实是不同的，我们要注意的是，这里会出现一个灰区。

在人脸上体现就是：当光照在你的脸上，如果脸型有棱有角，棱角处由于反射不好而出现灰区。当拍出照片时，这种灰区会被大脑选择性忽视，就可能导致你的照片，看起来脸比较小/比较有型。这对于肉脸的同学就比较悲剧了，因为你的脸反射贼好，照出来没有灰区，看着就是个大脸盘子…

就是说，人眼看物体有纵深、有立体感，整体显瘦。而机器只会忠实的记录，会显胖。

“脚伸到水里为什么会弯曲”呢，这得说到一个著名的不务正业人员--费马先生。这位同志是个法国的富二代，贼有钱的那种。那会儿法国最讲究的职业就是当律师，费老爹一合计，就给儿子买了个律师资格，所以费马还在读书的时候就已经是费马律师了。

照说他之后的人生，就该和别的富二代一样，吃喝玩乐、欺男霸女。但是这个费马他有点玩物丧志，而且他玩的这个东西不一般。别人玩赛马和舞会，费律师却喜欢玩数学和物理。

他看到前人对光的性质做了很多工作，仅描述光走直线和光会折射这两条定理的书和文献，就浩浩汤汤汗牛充栋，看的人脑壳疼。

他就想，折射不就是抄近路么，光走着走着发现一条近路，它又不傻，肯定走近路嘛。

就这样，别人写了几十万字的两个性质，最后竟被他用简单的一句话概括了：“光总是走最短的路线”。

孩子们啊，你们可要好好感谢费马，他为减少你们以后的背诵任务可下了不少功夫。

回到阿瓦达索命那个问题，不讲道理的熊孩子一定要让躲在树后瑟瑟发抖的我死于那道绿光可怎么办啊？这当然也是可以的，衍射嘛。

之前说光是沿直线传播的，但它也不是二愣子，有时候也挺鸡贼，它碰到障碍物会绕行，这种性质就叫衍射。最常见的例子就是，阳光下的电线杆是没有影子的。

怎么理解衍射呢？意大利的数学教授格里马第就做了一个实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像。格里马第马上联想起了水波的衍射（这个大家在中学物理的插图上应该都见过）

于是他提出：光可能是一种类似水波的波动，这就是最早的光波动说。划重点，光是一种波动的理论出现了哦。

大家可能都听过邓紫棋的泡沫，别出心裁的熊孩子就会问，“阳光下的泡末为什么是彩色的”，这其实是一种光的薄膜干涉现象。

我们都知道，普通的物质是具有累加性的，1+1肯定等于2；一滴水加上一滴水一定是两滴水，而不会一起消失。

但是之前说了，光是波动啊，那就不同了。

一列普通的波，它有着波的高峰和波的谷底，如果两列波相遇，当它们正好都处在高峰时，那么叠加起来的这个波就会达到两倍的峰值，如果都处在低谷时，叠加的结果就会是两倍深的谷底。

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？答案是它们会互相抵消。如果两列波在这样的情况下相遇（物理上叫做“反相”），那么在它们重叠的地方，将会波平如镜，既没有高峰，也没有谷底。这就像一个人把你往左边拉，另一个人用相同的力气把你往右边拉，结果是你会站在原地不动。

最后我们来聊聊“怎样能把自己拍的犹如天神降临”？

话说也太自恋了吧，小朋友！

这还是和光有关，介绍一种神奇的玩法，叫做“耶稣光”，用了这种玩法就能犹如天神降临。为什么呢？其实就是物理上的丁达尔效应，也有人叫云隙光。

其实这个问题和“天为什么是蓝色的”、“海为什么是蓝色的”一样，都是由于光的散射。

当我们玩呲水枪时，你会发现呲到别人身上的水也会溅你一身。实际上，你也可以把光理解成你呲出去的一束水，它呲到空气、液体以及胶体上，就会出现瑞利散射（天之蓝）、拉曼散射（海之蓝）和丁达尔效应（云隙光）。

实际上，写到这里大家可能也明白了，这篇文章其实是借给熊孩子“治病”的名义，讲解了光的几种最基本的性质。

事实上我们人类认识和研究光，也确实是如孩童般经历了上述几个过程，希望大家都能体会先贤传承知识的不易，把这些智慧的结晶代代相传下去。

好了~收服熊孩子，带他走上科研的不归路的方法我已经交给你了！接下来，从哪弄个孩子就是你们自己的事啦~请各位加油咯~我们下期节目再见~

1.  罗素. 西方哲学史[J]. 2005.

2.  欧几里德. 《反射光学》.

3. 费马. < Ad Locos Planos et soli-dos isagoge >.

4. 笛卡儿. 《方法论》.

5. 程路. 薄膜干涉条纹的定域[J]. 大学物理, 1982, 1(6):8-13.

6. 沈元壤. 非线性光学原理, 上[M]. 科学出版社, 1987.

7. 曹天元. 量子物理史话[M]. 辽宁教育出版社, 2008.