夏天在海边戴上太阳镜，水面上闪烁刺眼的反光会像变魔术一样消失，相信很多人都有过这样的体验。可是戴着太阳镜把头歪向一边，反光有时又会重新出现。明明是同一束光，却会随方向不同时而可见、时而消失，这一现象的真相正是“偏振（Polarization of Light）”。
简单来说，偏振是指“光的振动被整理成一个方向的状态”。光是一种沿着与传播方向垂直的方向振动的波，而阳光或灯光中混杂着各个方向的振动。从太阳镜、智能手机屏幕到3D电影院，挑选或理顺这些振动方向的过程正悄悄地发生在我们生活的各个角落。
本文将依次介绍偏振的基本原理、光发生偏振的方式、日常生活中的应用实例，以及自然界如何利用偏振。
光的隐藏方向：偏振的原理与应用
什么是偏振？
光是电场和磁场相互垂直振动并向前传播的电磁波。谈到偏振时，通常以电场的振动方向为基准。太阳或白炽灯发出的光振动方向各不相同，因此被称为“非偏振光”。
（1）栅栏的比喻
设想把跳绳穿过一道有竖直缝隙的栅栏来回抖动。如果上下抖动绳子，波动会径直穿过缝隙；如果左右抖动，就会被栅栏挡住。偏振滤镜正像这道栅栏，只让一个方向的振动通过。
（2）马吕斯定律
把两片偏振滤镜叠在一起，慢慢转动其中一片，光会逐渐变暗，到90度时几乎被完全挡住。透过的光强与两片滤镜夹角的余弦平方成正比，表示为 I = I0 × cos²θ。这一规律以发现者的名字命名，称为马吕斯定律。
（3）线偏振与圆偏振
振动只发生在一个平面内时称为线偏振；振动方向像螺旋一样不断旋转着前进时称为圆偏振。太阳镜主要处理线偏振，3D电影院的眼镜则常利用圆偏振。
光发生偏振的三种方式
自然状态下的光在遇到特定条件时也会自行发生偏振。代表性的方式如下。
- 吸收（Dichroism）：光穿过只吸收特定方向振动的物质后，只剩下其余方向的光。如今的偏振膜就采用这一原理。
- 反射（Reflection）：从玻璃或水面斜着反射的光中，与表面平行方向振动的成分会增多。1808年，法国的艾蒂安-路易·马吕斯透过方解石晶体观察巴黎卢森堡宫窗户反射的阳光时发现了这一事实，并为其取名为“偏振”。
- 散射（Scattering）：阳光撞上空气分子而四散时也会产生偏振。晴天时，与太阳成90度方向的天空偏振最强。
1815年，苏格兰的戴维·布儒斯特发现，反射光完全偏振的角度由物质的折射率决定。这个角度称为布儒斯特角，普通玻璃约为56度，水约为53度。
摄影师装在镜头前的偏振滤镜也利用了这一原理。一边转动滤镜一边调整，就能减弱玻璃窗或水面上的反光，看清里面的景物，还能减弱因散射而偏振的天空光，使蓝天拍得更深、更鲜明。
日常生活中的偏振技术实例
随着廉价轻薄的偏振片问世，偏振走出了实验室。1929年，美国的埃德温·兰德为一种把微小晶体朝同一方向排列的薄膜式偏振片申请了专利，后来创立了名为宝丽来（Polaroid）的公司。
[实例1] 偏光太阳镜
从水面和路面反射的眩光主要沿水平方向振动。偏光太阳镜只让竖直方向的振动通过，从而滤掉这些眩光。钓鱼的人戴上偏光眼镜后更容易看清水中的鱼，原因也在于此。
[实例2] 液晶显示屏（LCD）
液晶显示屏中有两片相互垂直叠放的偏振片，它们之间的液晶分子会随电压改变光的振动方向。借此每个像素都能控制光的开与关。戴着偏光太阳镜看屏幕时，屏幕在某些角度会变黑，也是这个缘故。
[实例3] 3D电影
在3D电影院里，供左眼和右眼观看的影像以不同的偏振投射出来，眼镜的左右镜片只让各自对应的影像通过。两只眼睛看到略有差异的画面，大脑便由此产生立体感。
自然界利用偏振的智慧
早在人类发明之前，偏振就已是生物的向导。奥地利动物学家卡尔·冯·弗里施发现，蜜蜂能读取天空的偏振图案，即使太阳被云遮住也能辨明方向。蚂蚁、部分候鸟和鱼类据悉也能感知偏振来寻找道路。
在科学研究中，偏振也是重要的工具。把透明塑料放在两片偏振片之间，受力的部分会呈现彩虹色的花纹，工程师由此可以用肉眼查看结构中的应力。天文学家则通过分析星光和宇宙微波背景辐射的偏振，研究遥远宇宙的磁场和早期宇宙的面貌。
总而言之，偏振是光的振动方向这一隐藏性质，经由吸收、反射和散射而产生。人类将其用于太阳镜、屏幕和电影院，蜜蜂则用它来读懂天空的地图。一个原理能连接如此广泛的领域，正是偏振最引人入胜的魅力所在。
肉眼虽然看不见，光中却藏着明确的方向。回想太阳镜后消失的眩光，试着想象一下光的振动，这就是理解看不见的光之秩序的科学第一步。
