第8章 光学乐谱(2)

后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。1979年9月，一条3.3公里的120路光缆通信系统在北京建成，几年后上海、天津、武汉等地也相继铺设了光缆线路，利用光导纤维进行通信。利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至多只能同时传送1000多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通100亿路电话！

另外，利用光导纤维制成的内窥镜，可以帮助医生检查胃、食道、十二指肠等的疾病。光导纤维胃镜是由上千根玻璃纤维组成的软管，它有输送光线、传导图像的本领，又有柔软、灵活，可以任意弯曲等优点，可以通过食道插入胃里。光导纤维把胃里的图像传出来，医生就可以窥见胃里的情形，然后根据情况进行诊断和治疗。

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光纤结构一般分为三层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般为50或62.5μm），中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm），最外是加强用的树脂涂层。

7.钞票防伪技术

自从彩色复印机出现，每个国家都担心这种机器会为犯罪分子造假钞提供方便。

于是，每个国家都在想着新的办法对付这些犯罪分子。很多的学者都对这方面进行研究，导致后来防伪技术的出现——超微棱衍射图案技术，让人们在钞票上面印的字从正面看是红色的，稍一倾斜就出现了绿色或黄色。这种纸币在复印后，则会失去变色的功能。

小寒对生活中的点点滴滴都观察得非常细心，在一次光学实验课上，她看见老师拿出一张旧唱片做实验。老师介绍道：“一般唱片是黑色的，但是从某一个角度望去，它上面会呈现出绚丽的色彩。你相信吗？怎样才能欣赏到唱片的彩虹呢？

“你们站在窗前，把唱片水平地举到和眼睛差不多高的位置，以一只手为轴，慢慢地转动它，同时注意观察从唱片凹槽上反射过来的远处光线。转到角度合适的时候，你会看到一大片彩虹。这是由许多组光谱组成的，每组光谱都包括由红到紫的七色。

“为什么会出现这种七色呢？那是因为唱片上刻有密集的凹槽，它们均匀地排列在唱片上。光波射到这些凹槽上的时候，就会向四面八方散射开来。这些散射的光波相遇后会发生加强和减弱，结果就把白光分解成了彩色的光谱。这个实验有力地证明了光的波动性。”

此时，老师又说：“1821年，德国物理学家夫琅和费首先利用很多彼此平行的细金属丝制成了第一个‘衍射光栅’。金属丝的数目每厘米是136条。在科学实验中常常要使用优质的光栅。它是在一块玻璃的镀银面上用金刚钻刻成的。那上面的刻痕要求排列均匀，而一个供科学实验用的衍射光栅在一厘米宽的间隔内则有上万条或更多的刻痕。光栅在科学实验中最重要的用处，是对从物质发出来的不同颜色的光进行精确的分析，从而判断物质的化学成分；科学家还利用光栅分析分子和原子的结构。”

这时，小寒从唱片想到了钞票的颜色变化，于是她向老师表示了自己的疑问，老师解释道：“唱片是一个粗陋的光栅。一个慢转密纹唱片在一厘米宽的平面上只有120条凹槽，但是激光唱盘的凹槽要密得多，所以在激光唱盘上很容易看到彩色。

“钞票防伪使用了光栅技术。超微棱衍射图案技术就是在钞票的某一个部位通过印刷形成有规律的凹凸不平的光栅，所以才能产生变换的色彩。复印的伪钞票失去了这种光栅效应，所以可以立即识别。”

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光栅是一种折射率周期性变化的光学元件。最常用的光栅是由大量等宽、等间距的平行狭缝组成的，通常是在一块平面玻璃上用金刚石刻制、复制或用全息照相等方法制成。

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光栅不仅适用于可见光波，还能用于红外和紫外光波，常被用来精确地测定光波长及进行光谱分析。以衍射光栅为色散元件组成的摄谱仪和单色仪是物质光谱分析的基本仪器之一。光栅衍射原理也是晶体X射线结构分析和近代频谱分析与光学信息、处理的基础。

8.小儿辩日

相传在春秋时期，孔子东游走过了一个又一个村庄。当他到达一个村庄时，见到两个小孩在村头争得面红耳赤，谁也不服谁。

孔子走过去问：“你们因什么事情争得这么激烈？”

“我说太阳刚出来的时候离人近。”穿白色衣服的小孩抢着说。

穿着黄色衣服的小孩也说：“不对，太阳中午时离人近。”

“老夫子，您说谁说得对？”问着问着，孩子们又争起来了。

“孩子们，都别争了，你们认为自己对，就把理由说出来。”孔子说。

穿白色衣服的小孩又抢着说：“一个东西都是近了看着大，远了看着小，不错吧？太阳刚出来的时候，像车盖那么大（注：古代车上支起的车盖，圆形，可遮阳遮雨，好似今天的伞。车盖圆径有一丈，约合2.3米），而到中午变得像个菜盘子。这不证明太阳早晨近而中午远吗？”

穿黄色衣服的小孩争辩道：“离火炉近了热，远了凉，这不错吧？太阳刚出来的时候，凉凉的，而到中午热得像在开水锅里一样。这不证明太阳早晨远而中午近吗？”

两个小孩子追问孔子：“老夫子，谁说得对呢？”

孔子讷讷地说：“你们都很有道理，但也不是全对……所以我不能判定谁说得对。”

两个小孩子笑了：“都说老夫子见多识广，原来也有不知道的事啊！”

孔子说：“知之为知之，不知为不知，这才是应有的态度啊。”

就这样，小儿辩日的故事在我国已流传了2000多年了。两个小孩各执一词，都有道理，日远日近却只能有一个答案。我们不能责怪孔子连小儿的问题都回答不出，就是到今天，要清楚地解释这个问题也不是件容易的事，它牵涉到光的折射、光的吸收、眼的错觉等方面。经过历代人的不懈探索，现在已经可以回答这个问题了。

太阳中午离得近而早晨离得远，相差大约是地球的半径这么长，但考虑到地球的大小与太阳相比，是太小太小；与太阳和地球的距离相比，是太小太小（参见下面的数据），所以实际上应该说，中午和早晨太阳离我们同样远近。

地球的直径：12741千米=1.3万千米

太阳的直径：1390000千米=139万千米

日地的距离：149600000千米=14960万千米

为什么早晨的太阳看起来大呢？这是眼的错觉造成的。

造成错觉的原因有三：①背景原因：早晨太阳在地平线，有房屋树木作对比，显得大；而中午高悬空中，周围空旷，显得小。②亮度原因：早晨太阳亮度与周围的亮度接近，显得大；中午太阳亮度与周围相差悬殊，显得小。③视线原因：看早晨的太阳是平视，显得大；看中午的太阳是仰视，显得小。

为什么早晨感觉凉而中午感觉热呢？那是与太阳的斜射、直射有关，与地面得到太阳热量的积累有关。对同一地面来说，斜射时得到的太阳光少，直射时得到的多。早晨太阳初升，地面本来是凉的，而到中午，太阳已照射半天，地面积累的热量多，再加上太阳几乎是直射，就感到热了。

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日出日落时间和太阳的高度在一年内不断变化，而且随纬度不同而不同。1955年，我国著名天文学家戴文赛教授对这个问题作了深入的研究，并发表了论文《太阳与观测者距离在一日内的变化》。

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孔子（前551—前479年），中国春秋末期伟大的思想家和教育家，儒家学派的创始人。名丘，字仲尼，鲁国人。孔子归鲁后，鲁人尊以“国老”，初鲁哀公与季康子常以政事相询，但终不被重用。孔子晚年致力于整理文献和继续从事教育。鲁哀公十六年（前479年）孔子卒，葬于鲁城北泗水之上。

9.汉武帝梦想成真

汉武帝开辟了汉朝繁荣昌盛的一个高潮，他一上台，就加强对地方和边境的控制，发展农业和水利，强化对百姓的统治，推崇儒家学说，派张骞出使西域，巩固边防，使得天下充满了祥和的氛围。有一桩心事搅得他不得安宁，他的爱妾李夫人年纪轻轻就离他而去，武帝时常在深夜思念她。李夫人长得窈窕俊美，能歌善舞，深得武帝宠幸。她生病时，武帝亲自前去床前问候，死后得以重葬。武帝又令人画李夫人像，并摆在甘泉宫。虽说皇帝妻妾成群，可他丝毫没有减少对李夫人的思念。一日，他将少翁叫到面前。

少翁是个出名的方士。方士是我国古代好讲神仙方术的人，什么修炼成仙啊，长生不老啊，能见鬼神啊，不一而足，很得统治者的信任。武帝试图用这种方法来减少自己对李夫人的思念，这位方士据说活到了200岁仍然面如童子，所以称之少翁。

“朕思念李夫人，能否再见她一面？”武帝问。

“可以，但只能在远处看，不能同在一个帷帐内；只能夜晚见，不能在白天相逢。”

“那怎么才能见到呢？”

“在深海里有一种潜英石，青色，有暗花，它轻如羽毛，极冷时它温暖，极热时它又冰凉。取来潜英石，将它制成人的模样，便像真人的神态一样，皇上就能见到李夫人了。”

少翁的一席话，让武帝颇为心动，立即派人去寻找潜英石，少翁拿到潜英石之后，立马就动工按李夫人的图像刻成人形。

入夜，一切准备就绪，少翁让武帝坐在一个帷帐里观看。他面前灯烛齐明，在另一帷帐内列案摆着美酒肉脯。少翁口中念念有词。这时，李夫人出现在前面的帐中，武帝不觉心花怒放。可是时间不长，李夫人就徐徐退去。武帝没能靠近她，她又匆匆离去，使他更添相思之苦，悲戚中作诗曰：“是也非也，泣而望之，偏何姗姗其来迟？”后来，据专家分析，可能是利用影像在屏幕上表演，并认为这是我国历史上最早的影戏记载。我们就叫它石影戏吧，后来还有手影戏、皮影戏。

其实，可以用物理现象来解释少翁的影戏。

首先我们要明白影是怎样形成的：光线传播的过程中，如果被物体挡住，物体后面就出现影。所以，成影要具有三个条件：光源、物体和屏幕。在少翁的影戏中，光源是灯烛，被光照射的物体是潜英石刻像，屏幕是帷帐。刻石的影投射到帷帐上，就显现出李夫人的大体模样。移动刻石时，它的影也移动，好像李夫人在走动。当然，以上只是一种可能的解释，这种解释也还有明显的漏洞。再说，即便是以今天的技术重现了古时的现象，也还不能肯定已经破解了古代之谜。科学是极为严肃的事，不能想当然地下结论。

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皮影艺术始源于秦、晋、豫黄河三角地带，传统的皮影分布在四川、陕西、福建、广东、山西、湖南、河北和北京等地区。其中陕西的皮影比较著名，它的形象继承传统画像砖的概括手法，脸谱、服装吸取了传统戏曲的精华。

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汉武帝，名刘彻。是西汉的第五位皇帝，是具有雄才大略的一代雄主。他生于公元前156年，死于公元前87年，活了70岁。他的父亲是景帝刘启，祖父是文帝刘恒，曾祖父是高祖刘邦。他4岁立为胶东王，7岁立为太子。公元前141年景帝病逝，16岁的刘彻登基，是为武帝。他是公元前141～前87年在位，共计54年。

10.光的速度

“光的传播是不需要时间的。”当你听了这句话之后，一定会觉得不可思议，可是，天文学家开普勒，数学家、哲学家笛卡儿等一些大科学家都这样认为。为什么会产生这种错误的结论呢？主要是光速太快了。

后来，伽利略认为，光的传播仍然需要时间。他提出了一个测量方法：两个人分别提一盏闪光灯站在相距甚远的两个山头上，甲先举灯闪光，并从闪光时开始计时。当乙看到甲灯闪光时马上举灯闪光，在甲看到乙灯闪光时，结束计时。这样就知道了光往返两个山头所用的时间，用这个时间去除两山头距离的2倍，就可算出光的速度了。

光的传播速度实在是太快了，光往返于两个山头的时间太短，比人看到对方灯亮后再举起自己的灯并让它闪光的时间还要短，所以伽利略用“举灯法”测量光速是不行的。

要想测出光传播的时间，必须让光通过很长很长的距离才行，既然在地球上的距离仍嫌太短，就要利用天上的星星，利用天体发生的现象去测量光速。伽利略也曾经这样设想过，丹麦天文学家罗默第一个测出了光速的数值，尽管误差很大，却是人类第一次测光速的尝试。

法国物理学家菲佐说：“我要在地面上精确地测量光速。”后来他设计出巧妙的方法，成为在地面条件下测量光速的第一个人。

关键在于如何测量极短极短的时间。他在一个山顶安放了光源和一个高速旋转的齿轮。在5英里（合8.633千米）以外的另一个山头安放了一面镜子。让光源发出的光通过齿孔（假定是A和B两齿的齿孔）射出去，射到镜子上再原路反射回来。当齿轮不动时，返回的光仍能通过齿孔；当齿轮转动时，就会被挡住，使观察者看不到反射光。如果齿轮转速加快，达到一定转速，会在光线返回齿轮时，B齿恰好转到原来发光时A齿的位置，反射光线正好又遇到齿孔；通过齿孔，又使观察者看到光。

菲佐在实验中所用的齿轮有720个齿，当转速达到每秒钟12.6转时，反射光线恰好回到齿孔。他根据这几个数据，就算出了光的速度为313300千米／秒。这个测量数据在当时已是相当精确的了。

现在的公认值，光在真空中的速度是：

C=299792.458±0.01千米/秒

菲佐在实验中就已知齿轮转速是12.6转/秒，可知齿轮每转一周所用的时间为1/12.6秒，每转过一个齿所用的时间为1/12.6×720×2秒。这里应该注意到，这个齿轮的每一个齿只占周长的1/2×720，而不是1/720，一个齿和一个齿孔加在一起才占周长的1/720。光的总路程是：2×8.633千米。那么，光速：

C=t=（2×8.633）×（12.6×720×2）千米／秒。

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光的直线传播规律——光在同种均匀介质中是沿直线传播的。同种、均匀两个条件必须同时满足。光在同种不均匀介质中传播也会发生弯曲、海市蜃楼、天体位置的视差等，都是由于大气层不均匀使光折射造成的现象。

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光的传播速度很快，光在1秒钟内传播的距离相当于绕地球7圈半。