动手实践

了解了偏振片太阳镜的原理，我们自然会问，既然光线有两种偏振方向，那么太阳镜究竟让哪一种偏振方向的光透过呢？（这被称为偏振片的偏振方向。）这正是我们第1个实验的内容。

第1个实验 判断偏振片太阳镜的偏振方向

判断一副太阳镜的偏振方向，最容易的方法，莫过于找到一块已知偏振方向的偏振片。我手头恰好有几块这样的偏振片，于是我们可以做下面的实验了。

在图1.2中左边那幅图里，我们透过太阳镜看到了远处的景物。中间那幅图里，一块已知偏振方向（如贴在偏振片上的箭头所示）的偏振片叠加在太阳镜前，此时偏振片是让上下偏振的光透过，远处的景物依旧可以看清。但是当我们90°旋转偏振片（右边那幅图），神奇的事情发生了，偏振片和太阳镜重叠的部分变得漆黑。这表明，太阳镜是让上下偏振的光透过的，所以，当偏振片只让水平方向偏振的光透过时，它们重叠的结果就是没有光可以透过。这两块偏振片放在一起就像一道光的阀门，可以打开（当两块偏振片方向一致时），也可以闭合（当两块偏振片方向垂直时）。是不是所有的偏振太阳镜的偏振方向都一样？答案是肯定的，不信的话，读者可以自己试一试。

第2个实验 轻松判断太阳镜的偏振方向

有读者会问了，我手头没有已知偏振方向的偏振片，怎么办？肯定有办法！

费曼先生在他的《别闹了，费曼先生！》一书中，记载了他去巴西当客座教授时遇到的一件趣事。当时巴西的大学应试教育风气非常严重，学生只会背诵教科书上的结论。费曼发现如果用教科书上的原话来提问，学生们总是非常流利地给出答案；但是如果换一种书上没写的方式来提同一个问题，学生们就哑口无言了，比如偏振光。就像我们的第一个实验那样，费曼先拿了一块已知偏振方向和一块未知偏振方向的偏振片给学生们演示，大家都很容易就说出了未知偏振片的偏振方向。这时，费曼说，如果我们只有一块未知方向的偏振片，怎么判断？费曼之所以这样问，是因为学生们刚刚学过相关的知识，应该有能力回答这个问题。但是大家面面相觑，无言以对。费曼指了指窗外的大海说：“看看从海面反射的光！”学生中仍然没有人说话。费曼接着说：“有没有人听说过布儒斯特角（Brewster Angle）？”学生们迅速地回答了这个问题，并指出布儒斯特角就是当光线在经过不同折射率的介质的交界面时，以布儒斯特角入射的光，其反射光是完全偏振的，偏振方向垂直于入射光和反射光所在的平面。费曼问：“然后呢？”学生们还是沉默。原来学生们定理背诵得滚瓜烂熟，却完全不知道定理所描述的对应于自然界中的是什么东西。“不同折射率的介质”，空气和海水不就是这样的一个例子吗？费曼拿起一块偏振片，对着窗外的海面，转动偏振片，学生们看到，随着偏振片的转动，海面出现了明暗变化，正如两块偏振片重叠时看到的情景一样。学生们恍然大悟，大叫起来：“哦，这就是偏振光！”

费曼的方法简便易行，实为“居家旅行之必备良方”。下面就让我们来体验一下。

考虑到大海不是随处可见的，我们可以用一个玻璃片来模拟海面（玻璃与空气的折射率也不一样），用一个小LED灯来模拟太阳（见图1.3）。按照费曼的描述，如果透过一个偏振的太阳镜来看玻璃表面反射的LED光，当旋转太阳镜时，我们应该可以看到明暗变化。

如图1.4所示，我们的确可以看到非常明显的明暗变化。见图1.4中右侧，当太阳镜水平放置时（注意这也是把太阳镜戴在头上时它的方向），玻璃表面反射的光几乎完全不见了！实际上，不止是水面和玻璃面，很多物体表面反射的光都是偏振的，比如柏油路、平滑的水泥地等。当太阳光的入射角度较低时，经过这些表面反射的光都具有很大程度的偏振性，其偏振方向垂直于入射光和反射光所在的平面。在我生活的地方，有时你能看到一个戴着墨镜边走边摇头晃脑的人，那正是作者本人，我喜欢通过改变太阳镜的偏振方向来看周围的物体忽明忽暗。当读者了解了这一有趣的现象，说不定也会传染上这一毛病。（注意，过马路时可不能摇头晃脑啊。）

现在，大家应该明白为什么我开始说所有的太阳镜的偏振方向都是一样的了吧。因为这样设计的太阳镜能够有效屏蔽路面或者汽车引擎盖表面反射的强烈太阳光（想象一下图1.4就是太阳从汽车引擎盖上反射的光），从而让戴太阳镜的司机可以安然地直视前方路面。

好奇的读者可能在思考，为什么反射光会有这个有趣的性质呢？这将留待本章最后一节的“探索与发现”篇中揭晓。接下来我们来把目光从大地投向天空。

第3个实验 偏振的天空

当我们透过偏振太阳镜观看天空时，就会发现看似均匀一片、碧蓝的天空，原来也暗藏玄机。图1.5展示了透过太阳镜看到的北面的天空（此时已近黄昏，太阳在西边接近地平线的地方），不难发现，图1.5（右）中，透过太阳镜的天空比图1.5（左）中的要暗得多。注意，在拍摄这两幅照片时，我采用了相机中的手动曝光模式，确保了左右两张照片的曝光强度是一致的（同样的曝光时间和光圈大小），这样才能对它们的明暗进行有意义的比较。如果是自动曝光模式，相机会选用不同的曝光强度来使整个画面的平均亮度保持一致，那么两幅照片中，天空的明暗变化就有可能是相机曝光强度不一样导致的。

图1.5告诉我们，此时北边的天空所发出的光大部分是垂直于地平面偏振的。北边的天空有这样神奇的现象，那么西边的天空如何呢？见图1.6，很容易看出，西边的天空并没有可以察觉的偏振特性。不论我们怎么摆放太阳镜，亮度都是一样的。读者还可以尝试观察一下东边和南边的天空。

同样是经过大气分子散射过的阳光，偏振性的差距怎么就这么大呢？关于这一点的讨论，我们也留到“探索与发现”篇。

第4个实验 从透明中发现五彩斑斓

前面的实验中，通过偏振片，我们只能看到明与暗的变化，未免有些单调乏味。在这个实验中，我们将用两片偏振片来展示一个五彩斑斓的现象。

很多人都用过透明的塑料快餐叉，它看起来的确平淡无奇。但是我们用两块偏振片，就可以化腐朽为神奇。首先我们把两块偏振片垂直放在一起，使得它们重叠的区域不透光，如图1.7所示（我没有用太阳镜，因为弯曲的表面不太适合拍摄，但是即将观察到的效果是类似的）。

接下来，我们把透明的快餐叉放入两块偏振片之间，如图1.8所示，这块平淡的塑料可能从未料到自己还会有如此流光溢彩的一刻！在没有快餐叉的部分，依然没有光透过，在有快餐叉的部分，七彩的颜色在塑料中流淌，尤其在它的末端，各种颜色聚集。如果把有齿的那一端放到两块偏振片之间，我们也能看到这美丽的现象。