光性质的探索历程.docx

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光性质的探索历程

光性质的探索历程

摘要：

几千年来，人类对光——这一日常生活中应用广泛的物质的性质进行了不懈的探索。

光的波动说与微粒说争论数百年之后，人们最终认识到“波粒二象性”才是光的本质。

在对光的本质有了越来越科学系统的了解之后，光被人类更好的加以利用，微观世界的发展也注定了人们对光的研究将越来越深入。

关键词：

光本质探索应用

一．早期的光学认识与探索

人类对于客观世界的认识，首先依赖于人类身体的感知，比如，视觉。

可以说，人类感知到的外部世界的整个知识中，绝大部分依赖于视觉器官，眼睛。

现在我们知道，视觉的感知，是由光实现的。

而远古时期的人类，例如古希腊人天真的以为，眼睛看见东西是因眼睛发出某种触须去触碰东西，汉语中也存在目光，视线这样的词语。

光究竟是什么，它是如何产生的，它由什么构成？

几千年之前人们就已开始思考这些问题。

在我国古代与古希腊，逐渐形成了到现在依然正确的一些概念，诸如光是从某些物体发出或被某些物体反射，而被我们的眼睛看见的。

人类文明史上最早对光学现象进行记载，可能是我国战国时期（公元前475-前221年）的《墨经》。

其中论及影的定义与生成；光与影的关系；光的直线传播；光的反射现象；物体阴影大小与光源距离的关系；平面凹面与凸面反射镜的成像等。

亚里士多德首先对视觉与眼睛做出了全面的分析，提出一种一直影响到17世纪的光的理论。

流传下来的欧几里得的《光学》与《反射光学》从定义出发，给出的反射定律可能是人类在光学领域中发现的第一个定量的定律。

在中世纪蒙昧主义的时代，几乎所有的原始宗教都在各自创世纪的神话中凸显光的原始与信仰的力量，伴随着中世纪后期大学的出现与阿拉伯传播而来的亚里士多德思想，理性与信仰才分道扬镳，光的理性认识得以重新被人们所重视。

[1]

从16世纪到18世纪近300年的时间里,人们建立了完备光的反射定律和折射定律。

发明了光学仪器,如望远镜、显微镜等。

至此，人们已经对光的几何性质有力比较清楚地认识，获得了光的直线传播，反射定律与折射定律等基本定律。

进一步，人们开始思考光是什么的问题。

从1600年左右开始，人们开始对光进行真正意义上的探索。

法国哲学家笛卡儿在《折光学》中系统地阐述了关于光的本性的观点，提出两种假说。

一种假说认为，光是类似于微粒的一种物质；另一种假说认为光是一种以以太为媒质的压力。

“光在本质上是一种压力，在一种完全弹性的、充满一切空间的媒质（以太）中传递”。

[2]这两种假说为之后的微粒说与波动说的争论埋下了伏笔。

二．波动说与微粒说之争

1.波动说的产生

1655年，格里马第在实验中让一束光穿过两个小孔后照在暗室里的屏幕上，他发现在投影的边缘有一条明暗相间的图像，于是他联想到水波的衍射，提出“光可能是一种类似水波的波动。

”他还认为，物体颜色的不同，是因为照射在物体表面光波的频率不同引起的。

格里马第的实验引起了英国物理学家胡克的重视，胡克重复了格里马第的工作，并仔细观察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉。

胡克判断，光必定是某种快速的脉冲，提出了“光是以太的一种纵向波”的假说，同时他也认为光的颜色是由其频率决定的

2．微粒说的产生

笛卡儿最早提出光的微粒模型，后来牛顿成为微粒说的代表人物。

他们认为光是一种微粒流，微粒从光源飞出来，在均匀介质内遵循力学定律做等速直线运动。

微粒说能够解释光的直线传播、光的反射和折射定律。

3.波动说与微粒说的对立

牛顿和惠更斯，从笛卡儿的学说出发，在笛卡儿的思想基础上形成两大对立的流派——微粒说和波动说。

微粒说是原子论的一个变种。

17世纪初，一直占据统治地位的亚里士多德哲学已经千疮百孔，自然哲学家们试图寻求一种新的学说来代替它。

1610—1650年，一种源于伊壁鸠鲁学派及其原子论的机械哲学流行起来。

按照机械哲学，宇宙就是某种类型的机械装置，宇宙中的一切，包括一个人的身体、精神和心灵都由众多运动着的非常小的颗粒构成。

[3]光的微粒说类似于原子论，但两者又有所不同。

在原子论中，原子本身是不可分的，而在微粒说中，微粒原则上是可分的。

微粒是单一的、无限小的，具有形状、大小、颜色和其他物理性质。

光就是由这些微小的离散颗粒组成，以光速并带有冲力沿着直线行进。

按照这种设想，光的直线传播、反射、折射、镜面成像、透镜成像等光学现象都不难解释。

[4]

波动说因惠更斯而得以发展，他在1690年出版的《光论》一书中，主张“光同声一样，是以球形波面传播的”。

按照以他名字命名的惠更斯原理，介质中任一波阵面上的各点，都是发射子波的新波源，在其后的任意时刻，这些子波的包络面就是新的波阵面。

他由此解释了反射、折射以及冰洲石的奇异折射现象，由于光可以在真空中传播，因此惠更斯提出，荷载光波的媒介物质（“以太”）应该充满包括真空在内的全部空间。

牛顿早在1664年就开始了光学研究。

1666年，他用三棱镜进行了著名的色散试验，发现白光是由各种不同颜色的光组成的。

1668年，牛顿制成了第一架反射望远镜样机。

1671年，牛顿把经过改进的反射望远镜献给了英国皇家学会。

1672年，牛顿发表了《关于光和颜色的理论》一文，并到皇家学会阐述自己的观点，认为白光经过棱镜产生色散，分成七色光，这是因为不同颜色微粒的混合与分开造成的。

牛顿的主张遭到赞成光波动说的胡克的尖锐批评。

牛顿特别生气，称胡克完全没有理解自己这一划时代发现的意义。

胡克时任皇家学会的“实验秘书”，脾气很大，两人的关系闹得很僵。

牛顿的光学研究停顿了一段时间，不再公开发表这方面的论文，他将已完成的著作《光学》延迟到胡克过世后才出版。

[5]

牛顿认为波动说不能简洁明了地解释光的直线传播，不能说明光在晶体中传播时所显示出光的传播的不对称性。

其次，光传播的“以太”介质假说让人难以置信。

其实，这里涉及科学理论的解释力问题。

反射、折射等现象属于几何光学范畴，用微粒说来解释比较直观，易于理解与接受，用波动说也能解释，只不过没有微粒说的解释那样直观。

但对于像“牛顿环”这样的现象，用波动说解释就顺理成章，而用微粒说来解释就有点牵强。

在惠更斯和牛顿的论争中，双方都只抓对方的弱项，用实验观察的结果来判定对方理论是否正确，惠更斯指出，如果光是微粒性的，那么来自不同光源的光线在交叉时就会因发生碰撞而改变方向，但当时并没有发现这种现象。

而在牛顿看来，如果光是一种波，它应当同声波一样可以绕过障碍物，而不会产生影子，可在实验中，光线绕过障碍物的现象并没有出现。

1703年，胡克去世，同年，牛顿被选为皇家学会会长。

此时的牛顿已俨然成为欧洲科学界的教皇。

没有了惠更斯和胡克，波动学说阵营已无力应战。

牛顿派的微粒说占了上风，统治光学界一个世纪之久。

牛顿与惠更斯之间的关系，绝不是水火不容的敌我关系。

惠更斯与牛顿之间在学术中互有交往，牛顿从惠更斯的著作中得到不少启示，称其为“德高望重的惠更斯”、“当代最伟大的几何学家”。

惠更斯在60岁时，为了拜访牛顿和其他几位科学家，他带病从荷兰前往英国。

尽管牛顿不喜欢别人不同意他的观点，但在学术问题上他还是保持了学者应有的谦逊。

他曾反复设计一些光学实验，详细记录了不同薄膜所呈现的各不相同的“牛顿环”。

“在我关于光的粒子结构理论中，我作出的结论是正确的，但是，我作这结论并没有绝对肯定。

只能用一个词来表示：

可能。

”[6]惠更斯更是如此。

他在1690年出版的《光论》的序言中写道：

“还有许多有关光的本性问题有待探究，我没有妄称已经揭示出光的本性，而我将非常感谢那些能弥补我在知识上的不足的人。

”[7]

牛顿的“微粒说”与惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论，科学家们就光是波动还是微粒这一问题展开了一场旷日持久的拉锯战。

整个18世纪，微粒说与波动说之间的争论一直持续，

因牛顿在学术界的权威和盛名，“微粒说”一直占据着主导地位。

波动说基本上处于停滞状态，微粒说占据统治地位

在1816至1819年间，几个著名的微粒说者已经意识到了干涉理论可以解释微粒说无法解释的现象。

他们面临着抉择，要么选择干涉理论，要么固执己见。

最初的反应是仅将干涉理论作为一个唯象理论。

托马斯·杨的出现，让微粒说的一统地位开始出现动摇。

牛顿之后的英国，微粒说占据主流。

法国也是如此。

其中的大将，是在当时被称为“法国牛顿”的拉普拉斯。

拉普拉斯在政治上见风使舵，以政治投机闻名，曾毛遂自荐当过拿破仑的内政部长六个月。

尽管微粒派极力捍卫，但在解释干涉、衍射等光学现象时却捉襟见肘，相反，用波动理论解释则简洁许多。

菲涅耳优美的数学表述，从内部分化了微粒说的阵营；一些原先反对波动说的学者开始“改宗”或“倒戈”，就连一些最坚定的成员也开始动摇，在事实面前接受波动学说。

以菲涅耳获得1819年法国科学院的奖项作为转折点，光的波动理论重新获得主导权。

一开始，托马斯杨是在一些实验事实的基础上对牛顿的光学理论产生怀疑。

他把光和声进行了类比，发现两者在重叠后都有增强和减弱的现象。

1801年，他进行了著名的双缝干涉实验。

1803年，他根据光的干涉定律对光的衍射现象做了进一步的解释，写成了《物理光学的实验和计算》一文，1804年发表在《哲学会刊》上。

[8]

杨的理论没有得到学界的足够重视，却引起了微粒派的警觉和反弹。

1808年，拉普拉斯用微粒学说分析了光的双折射现象，以此批驳杨的波动学说。

1809年，拉普拉斯的学生、曾参与拿破仑远征埃及的马吕斯发现了光的偏振现象。

进一步研究表明，光在折射时是部分偏振的。

他用微粒说成功地解释了双折射。

另一位牛顿派大将毕奥解释了色偏振，这是一个以前未被注意的新现象。

1811年，布儒斯特发现了光的偏振现象的经验定律。

而按照惠更斯和杨的理论，光应该是一种纵波，纵波是不可能发生这样的偏振的。

为此，杨又进行了深入研究，1817年，他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法，提出了光是一种横波的假说，从而比较成功地解释了光的偏振现象。

[8]

为了彰显光的微粒学说的统治地位，拉普拉斯和毕奥提出将光的衍射问题作为1818年法国巴黎科学院悬赏征求最佳论文的题目。

但最终事与愿违，获奖的是试图复兴惠更斯波动学说的外省工程师菲涅耳。

这件事本身就非常具有戏剧性。

五个评奖委员中有三个——拉普拉斯、毕奥、泊松是微粒说的信奉者，但他们仍然把奖项给了菲涅耳。

这个事件被视为表明连微粒说理论家都认为菲涅耳的理论优于微粒说的证据。

菲涅耳1814年开始研究光学，写了一篇关于光行差的论文。

1819年，他成功地完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验，当年底，他对光的传播方向进行定性实验后，与阿拉果一道建立了光的横波传播理论。

菲涅耳的波动理论以高度发展的数学为特征，利用干涉理论对惠更斯原理进行补充，后世称之为惠更斯－菲涅耳原理。

如果不考虑理论背后的本体论承诺，科学家们在比较两种理论之间的优劣时，更多是从美学角度出发，看是否在数学上更简洁。

微粒说可以很好地解释光的反射现象，但解释衍射和折射现象就比较困难。

微粒理论并非不能解释折射，但是用波动理论解释起来更简单，无需另外添加辅助假设等。

菲涅耳的外省人、边缘人的身份，也许是另一个值得考虑的因素。

一方面，他远离学术中心，没有太多顾忌，敢于提出全新的看法。

另一方面，所谓初生牛犊不怕虎，他有敢于作出重大突破的心理素质。

在历史上，恰恰是这些边缘人作出了重大发现。

当用微粒说来解释一些光学现象变得越来越复杂和困难时，“随着观测继续进行，这些不连贯的附加部分越来越多，直到它们彻底颠覆了最初的框架”。

[2]一个数学上简洁优美、更具有解释力的理论就被接受了。

在解释光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等与光的传播有关的现象时，波动理论取得了完全的成功。

光的波动说获得承认之后，托马斯·杨多少有点不服气。

他认为自己“早已植下了这棵树，而菲涅耳只不过摘下了树上的苹果”。

菲涅耳与杨的关系从一开始就有点紧张，但还是维持着正常的学术交往。

当菲涅耳于1927年英年早逝时，学界公正地评价了他们的贡献，承认了杨的作用。

杨自己也承认，他的贡献更多是提出“准确的建议而不是“实验说明”。

作为一位“博学者”，他对大的方向有非常敏锐的感觉，但在细节方面却缺乏更加深入的研究。

[8]他的干涉原理没有得到应有和及时的承认，与其博学者身份不无关系。

至此，新的波动学说牢固的建立起来了，光的弹性波动理论既能说明光的直线传播也能解释光的干涉和衍射现象并且横波的假设又可解释光的偏振现象．看来似乎十分圆满了，微粒说开始转向劣势。

但这时仍把光的波动看作是“以太”中的机械弹性波动，至于“以太”究竟是怎样的物质，尽管人们赋予它许多附加的性质，仍难自圆其说。

这样，光的弹性波理论存在的问题也就暴露出来了，于是各种假说纷纷提出。

三．光性质的确立

苏格兰物理学家麦克斯韦被认为是处于牛顿和爱因斯坦之间的最伟大的物理学家。

1860年代，光的波动说已经确立很久了。

麦克斯韦在总结前人关于电磁学方面的研究成果的基础上，于1860年建立了电磁学，并于1861年将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而确立了波动说的地位。

在1865年，麦克斯韦进一步指出光也是一种电磁波，从而产生了光的电磁理论。

1887年，赫兹用实验证实了电磁波的存在，也证实了光其实是电磁波的一种，两者具有共同的波的特性。

后来的实验又证明，红外线、紫外线和X光都是电磁波，其区别只是波长不同。

光的电磁理论以大量无可辩驳的事实赢得了普遍的公认。

但是，光电磁理论的建立并没有动摇“以太”的信念，只是以电磁“以太”代替了弹性“以太”。

洛伦兹认为，电磁“以太”是一种无处不在充满广阔空间的不动的介质，其唯一的特征是，在这种介质中光振动具有恒定的传播速度。

但是，对电磁“以太”的寻找却不顺利，试验结果和理论预测之间往往会得出截然相反的结论，使得“以太”理论陷入困境。

1905年9月，爱因斯坦发表了的“关于运动介质的电动力学”一文。

提出了光速不变原理和狭义相对论，从根本上抛弃了“以太”的概念，圆满地解释了运动物体的光学现象。

这是人们才认识到：

电磁波的传播不需要任何物质，电磁本身就是一种物质，它携带着能量以波的形式传播着，所以电磁波是一种物质波

十八世纪末期，经典光学已经达到了非常完善的程度，它几乎已经可以解释所有当时已经知道的光学现象（干涉、衍射、偏振、双折射等）。

但是，却仍然存在一些例外，用麦克斯韦电磁理论无法解释，其中最著名的是包括光的黑体辐射和光电效应

黑体辐射问题：

炽热的黑体会向外辐射电磁能量，电磁能量按波长是如何分布的呢？

按照经典电磁理论，辐射能量随着频率的增大而趋于无穷。

这与实验观测结果不符！

光电效应：

实验上观察到，光照在金属表面上可使电子逸出，而逸出电子的能量与光的强度无关，但与光的频率有关。

对此，经典理论也无法解释。

1900年，为了解释光的黑体辐射，普朗克创立了物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位（能量量子）的整数倍的假说，即量子假说，并在此基础上导出了黑体辐射的能量按波长（或频率）分布的公式，称为普朗克公式。

1905年，为了解释光电效应，爱因斯坦提出了光子假设，当光束与物质相互作用时，其能流并不像波动理论所想象的那样，是连续分布的，而是一份一份的集中在一些叫做光子的粒子上。

光子只能被整个地吸收和发射。

基于这个光子假说，爱因斯坦成功地解释了光电效应。

四．光的波粒二象性的发现

1925年量子力学建立后，物质波的概念得到承认。

人们发现，原子以及组成它们的电子、质子和中子等粒子的运动也具有波的属性，波动性是物质运动的基本属性。

那种仅仅把波动理解为某种媒介物质的力学振动的狭隘观点已被“波粒二象性”所取代。

经过200年的旅程，光的波动学说与微粒学说，在新的实验事实与理论面前，实现了融合。

“波粒二象性”才是光的本性。

一方面，在与光的传播特性有关的一系列现象中（干涉、衍射、偏振等），光表现出波动的本性并可由麦克斯韦电磁理论完美地描述。

另一方面，在光与物质作用并产生能量和动量交换的过程中，光又充分表现出分立的量子化（粒子）特征，并可由爱因斯坦光子理论加以描述。

五．光学的进一步发展

20世纪50年代，人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所谓“博里叶光学”。

到60年代，激光器的问世，由此发展了光放大、混频和倍频的技术，电子学的基本技术被扩展到光波波段来，形成光电子学。

80年代以来，光纤通信与光纤传感技术得到了快速发展。

参考文献：

[1]惠更斯，惠更斯光论.北京大学出版社2007年10月第一版，序12.

[2]NyeMJ,ed.Themodernphysicalandmathematicalsciences:

TheCambridgehistoryofscience,volume5.Cambridge:

CambridgeUniversityPress,2002:

273.

[3]OslerMJ.Atoms,pneuma,andtranquillity,EpicureanandStoicthemesineuropeanthought.Cambridge:

CambridgeUniversityPress,1991:

152;276.

[4]JoyLS.Gassenditheatomist:

advocateofhistoryinanageofscience.Cambridge:

CambridgeUniversityPress,1987:

3-21.

[5]WestfallRS.Theconstructionofmodernscience-mechanismsandmechanics.Cambridge:

CambridgeUniversityPress,1977:

69-70.

[6]BellAE.ChristianHuygensandthedevelopmentofscienceintheseventeenthcentury.London:

EdwardArnold&Co,1950:

5.

[7]惠更斯.惠更斯光论.蔡勖,译.北京院北京大学出版社,2007:

序3.

[8]RobinsonA.Thelastmanwhokneweverything.Oxford:

OneworldPublications,2006.

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