波动是一种常见的物质运动形式。例如绳上的波、空气中的
声波、
水面波等,这些波都是
机械振动在
弹性介质中的传播,称为
机械波。形成
机械波的成因是介质中质点受到相邻质点的扰动而随着运动,并将形振动形式由远及近的传播开来,各质点间存在相互作用的弹力。机械波是质点群联合起来表现出的周而复始的运动现象。
此外,
无线电波、
光波、
X射线等也是一种波动,这种波是变化的电场和变化的磁场在空间的传播,称为
电磁波。
各种形式的波的共同特征是具有周期性。受扰动
物理量变化时具有时间周期性,即同一点的物理量在经过一个周期后完全恢复为原来的值;在空间传递时又具有空间周期性,即沿波的传播方向经过某一
空间距离后会出现同一振动状态(例如质点的位移和速度)。
17世纪 ,R. 胡克和C. 惠更斯创立了光的
波动说。
惠更斯曾利用波前概念正确解释了
光的反射定律、
折射定律和
晶体中的双折射现象。这一时期,人们还发现了一些与光的
波动性有关的
光学现象,例如F. M.
格里马尔迪首先发现光遇障碍物时将偏离
直线传播,他把此现象起名为“衍射”。胡克和R. 玻意耳分别观察到现称之为
牛顿环的
干涉现象。这些发现成为
波动光学发展史的起点。17世纪以后的一百多年间,
光的微粒说(见光的
二象性)一直占统治地位,波动说则不为多数人所接受,直到进入19世纪后,光的
波动理论才得到迅速发展。
1800年,T.杨提出了反对
微粒说的几条论据,首次提出干涉这一术语,并分析了水波和声波叠加后产生的干涉现象。杨于1801年最先用
双缝演示了
光的干涉现象(见
杨氏实验),第一次提出波长概念,并成功地测量了光波波长。他还用干涉原理解释了白光照射下薄膜呈现的颜色。1809年E. L.
马吕斯发现了
反射时的
偏振现象(见
布儒斯特定律),随后A.-J. 菲涅耳和D. F. J.
阿拉戈利用杨氏实验装置完成了
线偏振光的叠加实验,杨和菲涅耳借助于光为
横波的假设成功地解释了这个实验。1815年,菲涅耳建立了
惠更斯-菲涅耳原理,他用此原理计算了各种类型的孔和直边的衍射图样,令人信服地解释了
衍射现象。1818年关于阿拉戈斑(见
菲涅耳衍射)的争论更加强了菲涅耳衍射理论的地位。至此,用光的波动
理论解释光的干涉、衍射和偏振等现象时均获得了巨大成功,从而牢固地确立了波动理论的地位。
19世纪60年代,J. C.
麦克斯韦建立了统一
电磁场理论,预言了
电磁波的存在并给出了电磁波的
波速公式。随后H. R. 赫兹用实验方法产生了电磁波。光与
电磁现象的一致性使人们确信光是电磁波的一种,光的古典波动理论与
电磁理论融成了一体,产生了
光的电磁理论。把电磁理论应用于晶体,对光在晶体中的传播规律给出了严格而圆满的解释。19世纪末,H. A. 洛伦兹创立了
电子论,他把物质的宏观性质归结为构成物质的电子的
集体行为,电磁波的作用使
带电粒子产生
受迫振动并产生次级电磁波,根据这一模型解释了光的吸收、
色散和散射等分子光学现象。这种经典的电磁理论并非十全十美,因在关于光与物质相互作用的问题上涉及
微观粒子的行为,必须用
量子理论才能得到彻底的解决。
波动光学的研究成果使人们对光的本性的认识得到了深化。在
应用领域,以干涉原理为基础的干涉计量术为人们提供了
精密测量和检验的手段(见
干涉仪),其精度提高到前所未有的程度;衍射理论指出了提高光学仪器
分辨本领的途径(见夫琅和费衍射);
衍射光栅已成为分离
光谱线以进行
光谱分析的重要
色散元件;各种偏振器件和仪器用来对岩矿晶体进行检验和测量,等等。所有这些构成了
应用光学的主要内容。