光為什麼會彎曲？350年前的天才發現的「波的秘密」（惠更斯原理）
我是 Science Trainer 的桑子研。每天都是一場實驗。
你有聽過「光會彎曲」嗎？像是泳池底部看起來比實際還淺，或是吸管放進水裡像折斷了一樣——其實這些現象，全都是因為光在「轉彎」。
不過，真正能說清楚「為什麼會彎」的人，可能沒有想像中那麼多。
這次，我們要跟著一位 350 多年前荷蘭科學家的想法，一起揭開光線轉彎背後的秘密。先來看看這段影片吧！下方是水，上方是空氣。
什麼是惠更斯原理？
在解釋光為什麼會彎曲時，有一個非常重要的概念，叫做惠更斯原理。
這是荷蘭科學家克里斯蒂安・惠更斯在 1678 年提出的理論。他認為，波的傳播其實是由無數個小波所組成，而這些小波被稱為子波。
利用這個原理，不只能解釋光的折射現象，甚至還能推導出數學上的折射定律。
什麼是子波？
想像一下，把石頭丟進池塘後，水面會出現一圈圈圓形波紋。這些向外擴散的小圓波，就是子波。
可是，如果是像用長棍拍打水面時那種「直線狀的波」，又是怎麼形成的呢？
按照惠更斯原理來看，其實那是大量子波互相重疊後的結果。來看看這段影片。
你會發現，許多子波重疊後，就形成了整齊的波面。
只靠一個簡單的概念，就能解釋各種不同的波動現象——這正是惠更斯原理迷人的地方。
光的繞射——波會「繞過障礙物」
當波穿過堤防的小縫隙後，會在另一側向四周擴散，看起來像是「繞過牆壁」一樣。這種現象稱為繞射。
從惠更斯原理的角度來看，通過縫隙的位置會變成新的子波來源，因此波會再次以圓形向外擴散，自然就形成了繞射現象。
光的反射——為什麼入射角等於反射角？
光照到鏡子上後，會以相同角度反彈回去——這件事，其實也能用惠更斯原理漂亮地解釋。
當光波碰到反射面時，接觸到表面的地方會一個接一個產生新的子波，而這些子波重疊後，就形成了反射波。
結果便自然導出了：
入射角 = 反射角
光的折射——速度改變時，波就會轉彎
終於來到今天的重點。
光為什麼會彎曲，也就是「折射」到底是怎麼發生的？
關鍵就在於波的速度。
光在空氣中的速度，比在水中還快。當波面斜著進入水面時，先碰到水的部分會先減速，而還留在空氣中的部分仍維持原本速度。
這樣一快一慢，就會讓整個波面的方向逐漸改變——於是，光就彎了。
這部影片裡畫出了很多波源，但教科書中的惠更斯圖通常只會挑一個代表性的波源來說明，並進一步推導出折射定律（史涅耳定律）。
如果你想看看多個波源同時作用時的效果，也可以用這個 Scratch 程式親自模擬看看。
一個原理，串起所有現象
繞射、反射、折射——這些看似完全不同的現象，其實都能用惠更斯提出的一個原理統一起來解釋。
350 多年前的想法，到今天依然是現代物理的重要基礎。下次當你看到光線彎曲時，不妨試著想像：「這些波，是怎麼彼此重疊的呢？」
也許，你會開始用不一樣的角度，看見身邊那些原本習以為常的神奇現象。
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