大自然的“万花筒”——光的干涉

来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-11-17

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  围成筒状的镜子反射光线,映出一端的物体五彩斑斓的图像。哪怕只有一块彩色玻璃,只要我们不断地转动万花筒,我们依然可以看到无限种可能的图像。这种转瞬即逝却又千变万化的色彩冲击,给我们带来了如同仰望满天繁星的幸福感,也不停地撩拨着我们的好奇与童真。

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  法国的一位著名雕塑家奥古斯特•罗丹曾说:生活中从不缺少美,而是缺少发现美的眼睛。倘若我们仔细观察,可以发现大自然到处都有着梦幻的“万花筒”。在阳光的照射下,水面漂浮的油膜呈现出艳丽的色彩;调皮的肥皂泡泡带着瞬息万变的五彩花纹;纷飞的蝴蝶不停地变换着翅膀的颜色……然而这些大自然的“万花筒”和我们手中常常把玩的万花筒在物理原理上却大相径庭。我们手中的万花筒是利用光的反射原理使我们欣赏到斑斓的图像,而大自然的这些“万花筒”的美丽却是由光的干涉产生的。

  众所周知,光具有波粒二象性,它既体现出波的特性,又体现出粒子的特性。19世纪初,英国物理学家托马斯•杨进行了著名的光学实验——杨氏双缝干涉实验,证明了光具有波的性质,可以说这是物理学史上最美的实验之一。

  假如我们让一单色光光束从小孔中射出,通过两条狭缝后它们将会互相干涉,两列光波发生叠加后使得各处的合振动不相同,当它们的波峰和波峰(或波谷和波谷)叠加就会在屏幕上形成明条纹;而当它们波峰和波谷进行叠加时就会形成暗条纹,这样在屏幕上我们就可以看到明暗交替的双缝干涉条纹。这种强度在空间重新稳定分布的现象我们称之为干涉。我们知道,在光学上,白光是由七种不同颜色(即不同波长)的复色光所组成。那么,当白光干涉的时候,又会发生什么神奇的现象呢?

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  1665年,剑桥大学为预防瘟疫而关闭,于是刚刚获得学位的牛顿从首都回到了家乡。然而回到家中的他并没有因为离开学校而停止思考——为什么肥皂泡在阳光下有着闪烁不定的彩色呢?在经历一年的不懈思考和实验后,牛顿利用三棱镜对太阳光束进行色散,发现了光的色散原理——阳光是由七种色光所组成的白光。原来当我们吹肥皂泡时,由于重力的原因,导致我们吹出来的泡泡的薄膜厚度不是均匀的,它的上部要比下部较薄,使得泡泡的内外表面形成了一定的夹角,也就形成了物理光学上所说的劈尖。而我们知道,光具有波动性,它的能量以振动的形式转移。由于组成太阳光的各种色光频率各不相同,导致它们在薄膜上各个点上波的振动的叠加情况也就不相同,有的地方叠加后合振动增强,而有的地方减弱。正是由于光的干涉叠加,使得肥皂泡的表面呈现出了形状、颜色不断变化的花纹。

  不锈钢制品表面出现鲜艳光泽是由于其氧化膜前后两个面上的反射光进行了干涉;白色珍珠呈现玲珑多彩的色泽是由于其各层反射出的光进行叠加产生干涉;蝴蝶拥有彩色的翅膀是由于其翅膜上的鳞片高低参差且角度不同导致光在经过折射、反射后又会进行多个光束的干涉……

  大自然永远都是神秘而美丽的,它的每一个领域都是上帝所创造的最美妙的艺术品,而数理科学就是它用来与我们对话的语言。仔细聆听它,你就可以感受到那些无与伦比的美。

  现在,大自然的“万花筒”已经打开,你要来看一看吗?

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