对光的本质的探索.docx

1、对光的本质的探索对光的本质的探索在近代物理学中，最早关心光的本性问题的是笛卡儿，他提出了粒子学说。 17 世纪 中叶，意大利博洛尼亚大学数学教授格里马第对光的本性做了认真的实验研究和思考， 1660年明确指出光的本性是波，反驳了笛卡儿的粒子说。在他去世后 2年，即 1665年他 的书发光、颜色和彩虹的物理和数学出版，记载了 “衍射 ”实验以及他对衍射提出的解 释。同年胡克的显微术总结了笛卡儿和格里马第的思想，猜想光的颜色决定于光振动 时的频率。1672 年牛顿提出光的颜色理论时，他利用粒子观点，解释颜色的复合和分解。胡克 立即对牛顿的粒子说进行了批评。 牛顿和胡克在光的本性问题上的分歧， 激发

2、了惠更斯的 好奇心，促使他认真研究光的本性。荷兰物理学家惠更斯( 1629-1695)是 17 世纪与开普 勒、伽利略、笛卡儿、牛顿齐名的科学家。他的父亲是一位著名的诗人、重要的文官，曾 担任驻外大使和国家顾问，与当时许多著名学者都有交往。笛卡儿是他家的常客，伽利略 为了精确计算时间， 曾向惠更斯的父亲求教。 从小受到良好教育的惠更斯对数学有特殊的 爱好和敏感，当他在 1655 年获得法律学博士学位后。就潜心钻研数学、天文学和物理学， 并取得了重大成就。 1689 年，惠更斯的名著论光问世，阐述了他在波动光学方面的 全部成果，在一定程度上，这本书可以与牛顿的光学相媲美。惠更斯不同于格里马第 和

3、胡克，他不仅坚持波动说，而且通过实验和几何学，建立起光波动说的基本观点，从而 成为波动说的代表人物。惠更斯不仅提出光是一种波，而且还提出 “惠更斯原理 ”，用这一 原理可以精确计算和解释光的反射、折射和衍射。1678 年惠更斯向巴黎科学院提交了他的光学名著论光，并就光的波动说向院士 们作了阐述，在阐述中反驳了牛顿的粒子学说。于是，一场科学史上著名的争论就在惠更 斯和牛顿之间爆发了。牛顿在得知惠更斯的反驳之后，开始修改和充实他在 1675 年就动手写的光学一 书，以进一步发展他的粒子学说，反驳惠更斯的责难。 1704 年，牛顿的光学公开出 版。在这本书里，牛顿主要以光的色散、反射和折射现象为基础

4、，坚持对光的本性作粒子 的解释。牛顿还通过光的粒子说，把所有自然现象都融进他的质点力学体系之中，而牛顿 的机械自然观也通过光的粒子说， 有一进一步的发展， 以至成为此后近 300 年占统治地位 的科学自然观。18世纪，大部分科学家接受了牛顿的粒子学说，放弃了惠更斯的波动说。一是因 为惠更斯的波动说缺乏数学的完美性，加上惠更斯 1695 年去世，胡克 1703年去世，波动 说失去了他们的主将，再没有人与牛顿进行论战； 另一个原因是牛顿的科学声誉越来越高， 而且他把粒子学说纳入壮丽而完美的力学体系之中，这更令人神往。因此， 18 世纪光学 没有什么大的发展。在科学史上， 18 世纪是一个相对停滞的

5、世纪。 16-17世纪，自然科学中那种风起云涌、 轰轰烈烈的科学革命和丰功伟绩，在 18 世纪悄悄地消失了。神学自然观和形而上学自然 观形成了一个新思想枷锁，限制、阻碍了科学的发展。首先是牛顿，他到晚年越来越滑向神学，最后他甚至用上帝的 “第一推动 ”来解释宇宙 的生成、运动，而且他认为宇宙是不变的。后来，由于一些哲学家的加工，这种神学自然 观更加系统化，成了臭名昭著的 “神创论 ”。在生物学中，林奈的物种不变论，更加强了神 学的自然观。恩格斯曾经带着强烈的讽刺提到这种非常浅薄的 “神创论”，他说： “根据这 种理论，猫被创造出来是为了吃老鼠，老鼠被创造出来是为了给猫吃，而整个自然界被创 造出

6、来是为了证明造物主的智慧。 ”这样，整个自然科学领域在 18 世纪陷入停滞不前的局 面，科学思想也逐渐僵化。光学领域也是如此。粒子学说被奉为金科玉律，谁也不敢触动 它一根汗毛。人们所能作的是宣传、讲授牛顿的粒子理论，重复牛顿的实验。在长达一个 世纪里，光学几乎毫无进展。托马斯杨生在英国一个银行家的富裕家庭，从小可说是一个神童。两岁就会看书， 14岁已掌握多种语言。他贪婪地阅读各种各样的书，包括文学作品、科学著作。还十分 喜爱各种乐器。他长大后，天赋并没有衰退，所以他在剑桥大学读书时被人们称为 “奇人 杨”。后来他学习医学，主攻生理光学。但他对行医不怎么有兴趣，接受皇家学院的邀请 讲授自然科学，

7、可惜他缺乏讲课必需的才能，讲课常常超出了学生的理解能力，因而不久 他就离开了皇家学院，不得不把大部分时间用于行医。幸运的是他从 1802年被选为皇家学会的外事秘书， 这个职务一直担任到去世为止。 这个职务虽然不会给他带来什么经济上 的好处，但可以使他不至于只是一个医生，而远离科学研究。杨看到了牛顿的光学理论有严重的缺陷，值得人们深思。他指出： “尽管我仰慕牛顿 的大名，但我并不因此非得认为他是万无一失的。我遗憾地看到他也会弄错。而他的权威 也许有时甚至阻碍了科学的进步。 ”杨进行了一系列的光学实验，以便彻底否定牛顿的粒 子学说。 1801 年，杨成功地完成了著名的 “杨氏双缝干涉实验 ”。但杨

8、的意见提出后，立即 遭到了英国同行的激烈反对。 法国的一些拥护牛顿理论的人也不赞成杨的意见。 在强大的 反对势力面前，杨无可奈何，只好暂时不去研究光学，除了行医以外，他将业余兴趣转移 到研究象形文字等方面。人们反对杨的意见， 原因是多方面的， 一方面牛顿的权威不那么容易搬倒， 另一方面， 杨本人的理论还极不完善， 想靠一个实验就否定一个 100 多年被人们维护的理论， 可以说 是天方夜谈。而且人们可以用别的假说解释双缝干涉现象。因此，在 1819 年底以前，光的波动说的复兴似乎没有希望了。但到 1820 年法国的菲涅尔扭转了对波动说不利局面， 英国物理学家丁铎尔说： “杨的天才被他的同胞们压制

9、了，他们激烈地挖苦他，对他品头 论足，整整 20 年，杨被当作一个说梦话的人。杨应该感谢著名的法国学者菲涅尔和阿拉 果，是他们恢复了他的荣誉。 ”菲涅尔（ 1788-）是法国物理学家，杨是个神童，菲涅尔却是智力发展很迟， 8岁时才 识字。菲涅尔设计了一个比杨的实验更为巧妙的光的干涉实验， 可以说菲涅尔双镜实验是 证实光是一种波动的关键性实验。 1815 年菲涅尔专程去巴黎拜访阿拉果，阿拉果立即发 现菲涅尔是一个很有才能的研究者， 而且还发现菲涅尔与杨有一个很大的不同， 那就是菲 涅尔有很高的数学修养， 他的论文不仅详细而且处处有定量的计算。 尽管阿拉果遗憾地告 诉菲涅尔，光的干涉实验已由杨十几

10、年前就做过了，但阿拉果看出，菲涅尔的创造性工作 有可能使光的波动说取得胜利。事实上，阿拉果原来是坚持光粒子说的代表人物，但在认 识了菲涅尔之后，他很快转变了立场，相信光的波动说了。阿拉果对菲涅尔的期望没有落 空，菲涅尔果然扭转了乾坤。1818年菲涅尔向法国科学院提交的论文使评审委员会的五名成员都信服了，菲涅尔 的论文有精致的数学论证， 这使重视数学的法国科学大师们感到满意， 最令他们注意的是 菲涅尔根据严格的数学推导，可以得出一个十分奇怪的结果：用光照射一个很小的圆板， 在圆板后面的阴影中心应该有一个亮点。 这个推论的结果似乎是非常荒谬的， 评审委员们 都不相信，但实验证明，阴影中心果然有一个

11、亮点。于是，菲涅尔的论文获得了头奖。随 后，菲涅尔又作出了一系列关键性的实验，使光是一种波动得到了最终的证实。 1821 年 光的波动理论以更精致、更完善的形式，由菲涅尔公布于世。光粒子说从此 “落花流水春 去也”，波动说则 “冬至阳生春又来 ”，取得了正统地位。二英国物理学家牛顿（ 1642-1727）1、色散现象的早期研究 色散也是一个古老的课题，最引人注目的是彩虹现象。早在 13 世纪，科学家就对彩 虹的成因进行了探讨。德国有一位传教士叫西奥多里克， 曾在实验中模仿天上的彩虹。 他利用阳光照射装满 水的大玻璃球壳， 观察到了和空中一样的彩虹， 以此说明彩虹是由于空气中水珠反射和折 射阳光

12、造成的现象。不过，他进一步解释没有摆脱亚里斯多德的教义，继续认为各种颜色 的产生是由于光受到不同阻滞所引起。 光的四种颜色： 红、黄、绿、蓝，处于白与黑之间， 红色接近白色，比较明亮，蓝色接近黑色，比较昏暗。阳光进入媒质（例如水），从表面 区域折射回来的是红色或黄色，从深部折射回来的是绿色或蓝色。雨后天空中充满水珠， 阳光进入水珠再折射回来，人们就看到色彩缤纷的景象。笛卡儿对彩虹现象也有兴趣，他用实验检验西奥多里克的认述。在他的方法论（ 1637）中还有一篇附录，专门讨论彩虹，并且介绍了他自己做过 的棱镜实验，如图所示。他用三棱镜将阳光折射后投在屏上，发现彩色的产生并不是由于 进入媒质深浅不同

13、所造成。 因为不论光照在棱镜的那一部位， 折射后屏上的图象都是一样 的。遗憾的是，笛卡儿的屏离棱镜太近（大概只有几厘米），他没有看到色散后的整个光 谱，只注意到光带的两侧分别呈现蓝色和红色。1648年，布拉格的马尔西用三棱镜演示色散成功。不过他解释错了。他认为红色是 浓缩了的光，蓝色是稀释了的光；之所以会出现五颜六色，是由于光受物质的不同作用， 因而呈现各种不同的颜色。17 世纪正当望远镜、显微镜问世，伽利略运用望远镜观察天体星辰，胡克用显微镜 观察小物体，激起了广大科学界的兴趣。然而，当放大倍数增大时，这些仪器不可避免地 都会出现象差和色差，使人们深感迷惑。人们不理解，为什么在图象的边缘总会

14、出现颜色？这和彩虹有没有共同之处？这类现 象有什么规律性？怎样才能消除？这时，牛顿正在英国剑桥大学学习。 他的老师中有一位数学教授名叫巴罗 ,1630-1677）， 对光学很有研究。牛顿听过他讲光学，还邦他写光学讲义。牛顿很喜欢做光学实验， 还亲自动手磨制透镜， 想按自己的设计装配出差的显微镜和望远镜。 这个愿望激励他对光 的颜色的本性进行深入的探讨。2、牛顿对色散现象的思考 牛顿从笛卡儿等人的著作中得到许多启示。例如笛卡儿说过： “运动慢的光线比运动 快的光线折射得更厉害， ”胡克描述过肥皂泡的颜色变化，认为不同的颜色是光脉冲对视 网膜留下的不同印象。红色和蓝色是原色，其它颜色都是由这两种颜

15、色合成和冲淡而成。 牛顿注意到这些说法的合理成分，同时也提出许多疑问。在牛顿留下的手稿中，记录了许多当年的疑问微压测高计思考， 例如，他问道： 如果光是脉冲，为什么不像声音那样在传播中偏离直线？为什么弱的脉冲比强的脉冲运动快？ 为什么水比水蒸汽更清晰？为什么煤是黑的，煤烧成的灰反而是白的？ 牛顿不满意前人（包括他的老师） 对光现象的解释，就自己动手做起了一系列的实验。3、牛顿的色散实验牛顿从笛卡儿的棱镜实验得到启发， 又借鉴于胡克和玻意耳的分光实验。 胡克用了一 只充满水的烧瓶代替棱镜，屏距折射位置大约 60 厘米，玻意耳把棱镜散射的光投到 1 米 多高的天花板上，而牛顿则将距离扩展为 6-7

16、 米，从室外由洞口进入的阳光经过三棱镜后 直接投射到对面的墙上。这样，他就获得了展开的光谱，而前面的几位实验者只看到两侧 带颜色的光斑。牛顿高明之处就在下他已经意识到了不同颜色的光具有不同的折射性能， 只有拉长距 离才能分解开不同折射角的光线。为了证明红光和蓝光各具不同的折射性能， 牛顿用棱镜做了如下的实验。 如图所示， 在一张黑线上画一条线，半边为深蓝色，半边为深红色，比棱镜观看，只见这根线好象折 断了似的，分界处正是红蓝之交，蓝色部分比红色部分更靠近棱脊。可见蓝光比红光受到 更大的折射。为了证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用， 也不是由于其它原因， 而是由于 不同颜色具有不同的折射性，牛顿又做了一个实验。 他拿三个棱镜做实验，三个棱镜完 全相同，只是放置方式不一样，如图所示，倘若分散是由于棱镜的不平或其它偶然的不规则性，那么第二个棱镜和第三个棱镜就会增加这一分散性。可是实验结果是，原来分散的 各种颜色，经过