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惠更斯原理与光的直线传播
如果从自然现象的观察层面讲，或者是基于生活经验来说，光的粒子说应该是比光的波动说更“合理”一些，比如，在空气中光沿直线传播与粒子的惯性性质非常得一致，对光的反射现象也是粒子说要直观形象些。毕竟，光的波动理论过于学术化。但是，如果从物理学研究的角度看，在折射现象上，粒子说就过于牵强了，比如说，在透明物质，如玻璃中“光粒子”如何才能前行，且又能直线前进呢？
现在，我们想光的波动说之所以长时间不被接受，也是自身理论存在较大缺陷的原因。我想最大的问题在于其“机械论”的色彩，即把光现象看成某种机械运动过程。用弹性波的图像去应对光波（这就必须设想存在一种特殊的弹性介质——以态，按照理论要求和实际状况，该介质必须同时具有密度极小和弹性模量极大两方面的性质，而这两方面的物理性质是相互矛盾的），确实是不合逻辑的。
下面，我们一起来体会用惠更斯原理说明光的直线传播现象，从而感受该原理（它可看成是光的波动说的理论核心）的有效性和不足。
1． 惠更斯原理的基本内容
首先我们要明确波面和波线（此处即光线）的概念。物理中的波动，一般都是周期性的，那么，在同一振源的波场中，扰动（波动是扰动在空间里的传播）同时到达的各点具有相同的相位，这些点的轨迹称为波面。比如，由一个点振源发出的波，在各向同性的均匀介质中的波面就是以振源为中心的球面，这种波当然就是球面波。而从离振源很远的地方看，其波面就趋于平面，此即我们常说的平面波。
惠更斯原理就是关于波面传播的理论。它可以通过图1进行形象地说明：
在某一时刻t由振源发出的波扰动传播到了波面S。惠更斯提出：S上的每一面元可认为是次波的波源。由面元发出的次波向四面八方传播，在以后的时刻t形成次波面。在各向同性的均匀介质中，次波面是半径为vt的球面，其中v为波速，ttt，
´
那么，这些次波面的包络面S就是t时刻总扰动的波面。
很显然，惠更斯原理回避了次波向后传播的可能。 图1 用惠更斯原理可以对光的反射和折射现象作出完美的解释，这在高中教材中有详细的过程描述。
2． 用惠更斯原理对光的直线传播问题进行解释
要想验证光的直线传播，必须用带小孔的障板把一束较窄的光分离出来，如图2所示。由这束光的边缘光线就可以考查直线传播定律是否成立。
我们可以画出点波源Q发出的球面波传播到障板开口处的波面。按照惠更斯原理，这波面上每个面元都是一个次波中心，图2 当然只有未被障板遮住的部分AB发出的次波才对障板后面的空间起作用。
考虑以后的某一时刻，画出此时波面S上的AB部分每点发出的次波的波面，并作这些次波面的包络面CD。当然CD也是以Q为中心的球面的一部分。
针对上面的情况，惠更斯指出，只有各次波的包络面CD上才发生可觉察的总扰动，也
即在包络面两侧D和C之外的扰动是可以忽略不计的。所以，QAC和QBD就是通过孔隙的边缘光线，它们都是直线。——此即惠更斯原理对光的直线传播的解释。
显然，从图上可以看出CD两侧之外还有次波存在，那么，为什么次波在这些地方不发生作用呢？即惠更斯的说法与实验现象一致吗？
3． 水波通过大小不同的孔隙后的传播情况
图3是我们实验室中的仪器就能做出的实验结果，这是机械波的情况。实验清楚地显示：当孔隙大时（图a），障板后面的波动与惠更斯的预期一致，即基本上沿直线传播。当孔隙较小时（图b），波开始偏离直线传播。当孔隙十分小时（图c），在障板后面看，好像波是从小孔那里重新发出来的似的，这时就完全没有播的直线传播问题了。
图3
在后两种情况下发生的，就是衍射现象（即偏离直线传播的现象）。
可见，惠更斯原理不能解释波的直线传播与衍射现象之间的矛盾。这里，我们同时应该问“波（当然包括光）的直线传播”是其基本的特点吗？
4． 现代波动理论对几何光学三个基本规律的解释
现代波动理论从定性和定量两方面对几何光学的三个基本规律进行了深入地分析，发现，波动的直线传播特点只是波长远小于孔隙线度a的条件下近似成立的规律。在与a可比拟的情况下甚至大于a的情况下，将发生显著的衍射。
那为什么光的直线传播特点那么鲜明呢？这是因为可见光的波长只有10-7m的量级，比通常障碍物的线度小得多，使得偏离直线传播的现象不容易觉察罢了。
同样，光的反射定律和折射定律也都是在具体情况（这时其波长是很小的——这是一个物理判断）下近似成立的。所以，几何光学原理的适用范围是有限的，理论上应该用严格的波动理论来代替它。不过，其处理问题的方法简单，并且对于各种光学仪器中遇到的许多实际问题已经足够精确，所以，它们仍可看作各种光学仪器的重要理论基础。
本文来源：https://www.wddqxz.cn/e77d99169fc3d5bbfd0a79563c1ec5da51e2d619.html
2022-08-26
