粒子和波折射

一种观点认为，光在本质上是波状的，产生的能量穿过空间，其方式类似于被落下的岩石扰动后，在一个静止的池塘表面扩散的波纹。相反的观点认为，光是由稳定的粒子流组成的，很像从花园的软管喷嘴喷射出来的小水滴。本交互式辅导课程探讨粒子和波在通过透明表面折射时的行为。

本辅导课程使用单色红光（光子）粒子以大约30度的入射角撞击玻璃块的表面进行初始化。进入玻璃后，颗粒将根据斯涅尔定律折射，并以线性路径穿过介质。当颗粒遇到第二个玻璃/空气边界时（在玻璃块的底部），它们将再次被折射并以一定角度返回空间。位于玻璃块下方的粒子/波滑块可用于将粒子束变形为平面波前。在变成波之前，粒子以波的形式排列。

克里斯蒂安·惠更斯在他1690年的专著Traité de la Lumière中凭借自己的直觉提出，光波以以太为媒介穿过空间。以太是一种神秘的无重力物质，作为一种无形的实体存在于整个空气和空间。在十九世纪，寻找以太消耗了大量的资源，直到最后被终结。以太理论至少持续到19世纪晚期，查尔斯·惠特斯通提出的模型证明了以太通过垂直于光传播方向的振动来传播光波，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦详细的模型描述了这种不可见物质的构造。惠更斯认为以太与光在同一个方向振动，并在它携带光波的时候形成了波。在后来的惠更斯原理一书中，他巧妙地描述了波上的每个点如何产生自己的小波，然后这些小波叠加在一起形成波前。惠更斯利用这个想法为折射现象提出了详细的理论，也解释了为什么光线在交叉路径时不会相互碰撞。

当一束光在两种折射率不同的介质之间传播时，光束发生折射，并在从第一种介质进入第二种介质时改变方向。确定光束是由波或粒子，每个可以设计一个模型来解释这一现象（图1）。根据惠更斯波理论，每个角度的波前的一小部分应该影响第二介质之前剩下的前面到达界面。当波的其余部分仍然在第一介质中传播时，这部分将开始通过第二介质，但由于第二介质的高折射率，它将移动得更慢。因为波前现在以两种不同的速度传播，它会弯曲进入第二种介质，从而改变传播的角度。相比之下，粒子理论很难解释为什么光粒子从一种介质进入另一种介质时会改变方向。该理论的支持者认为，当粒子进入第二种介质时，有一种垂直于界面的特殊力，作用于改变粒子的速度。这种力量的确切性质还有待推测，也没有收集到任何证据来证明这一理论。