光性質的探索歷程

1、 光性質的探索歷程 摘要： 幾千年來，人類對光這一日常生活中應用廣泛的物質的性質進行了不懈的探索。光的波動說與微粒說爭論數(shù)百年之后，人們最終認識到“波粒二象性”才是光的本質。在對光的本質有了越來越科學系統(tǒng)的了解之后，光被人類更好的加以利用，微觀世界的發(fā)展也注定了人們對光的研究將越來越深入。 關鍵詞：光 本質 探索 應用 一早期的光學認識與探索 人類對于客觀世界的認識，首先依賴于人類身體的感知，比如，視覺。可以說，人類感知到的外部世界的整個知識中，絕大部分依賴于視覺器官，眼睛?，F(xiàn)在我們知道，視覺的感知，是由光實現(xiàn)的。而遠古時期的人類，例如古希臘人天真的以為，眼睛看見東西是因眼睛發(fā)出某種觸須去觸碰

2、東西，漢語中也存在目光，視線這樣的詞語。光究竟是什么，它是如何產(chǎn)生的，它由什么構成？幾千年之前人們就已開始思考這些問題。 在我國古代與古希臘，逐漸形成了到現(xiàn)在依然正確的一些概念，諸如光是從某些物體發(fā)出或被某些物體反射，而被我們的眼睛看見的。人類文明史上最早對光學現(xiàn)象進行記載，可能是我國戰(zhàn)國時期（公元前475-前221年）的墨經(jīng)。其中論及影的定義與生成；光與影的關系；光的直線傳播；光的反射現(xiàn)象；物體陰影大小與光源距離的關系；平面凹面與凸面反射鏡的成像等。亞里士多德首先對視覺與眼睛做出了全面的分析，提出一種一直影響到17世紀的光的理論。流傳下來的歐幾里得的光學與反射光學從定義出發(fā)，給出的反射定律可

3、能是人類在光學領域中發(fā)現(xiàn)的第一個定量的定律。 在中世紀蒙昧主義的時代，幾乎所有的原始宗教都在各自創(chuàng)世紀的神話中凸顯光的原始與信仰的力量，伴隨著中世紀后期大學的出現(xiàn)與阿拉伯傳播而來的亞里士多德思想，理性與信仰才分道揚鑣，光的理性認識得以重新被人們所重視。1 從16 世紀到18 世紀近300年的時間里,人們建立了完備光的反射定律和折射定律。發(fā)明了光學儀器,如望遠鏡、顯微鏡等。至此，人們已經(jīng)對光的幾何性質有力比較清楚地認識，獲得了光的直線傳播，反射定律與折射定律等基本定律。進一步，人們開始思考光是什么的問題。 從1600年左右開始，人們開始對光進行真正意義上的探索。法國哲學家笛卡兒在折光學中系統(tǒng)地闡

4、述了關于光的本性的觀點，提出兩種假說。一種假說認為，光是類似于微粒的一種物質；另一種假說認為光是一種以以太為媒質的壓力?！肮庠诒举|上是一種壓力，在一種完全彈性的、充滿一切空間的媒質（以太）中傳遞”。2這兩種假說為之后的微粒說與波動說的爭論埋下了伏筆。 二波動說與微粒說之爭 1.波動說的產(chǎn)生 1655年，格里馬第在實驗中讓一束光穿過兩個小孔后照在暗室里的屏幕上，他發(fā)現(xiàn)在投影的邊緣有一條明暗相間的圖像，于是他聯(lián)想到水波的衍射，提出“光可能是一種類似水波的波動?！彼€認為，物體顏色的不同，是因為照射在物體表面光波的頻率不同引起的。格里馬第的實驗引起了英國物理學家胡克的重視，胡克重復了格里馬第的工作，

5、并仔細觀察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通過薄云母片而產(chǎn)生的光輝。胡克判斷，光必定是某種快速的脈沖，提出了“光是以太的一種縱向波”的假說，同時他也認為光的顏色是由其頻率決定的 2微粒說的產(chǎn)生 笛卡兒最早提出光的微粒模型，后來牛頓成為微粒說的代表人物。他們認為光是一種微粒流，微粒從光源飛出來，在均勻介質內(nèi)遵循力學定律做等速直線運動。微粒說能夠解釋光的直線傳播、光的反射和折射定律。 3.波動說與微粒說的對立 牛頓和惠更斯，從笛卡兒的學說出發(fā)，在笛卡兒的思想基礎上形成兩大對立的流派微粒說和波動說。 微粒說是原子論的一個變種。17世紀初，一直占據(jù)統(tǒng)治地位的亞里士多德哲學已經(jīng)千瘡百孔，自然哲學家們試圖

6、尋求一種新的學說來代替它。16101650 年，一種源于伊壁鳩魯學派及其原子論的機械哲學流行起來。按照機械哲學，宇宙就是某種類型的機械裝置，宇宙中的一切，包括一個人的身體、精神和心靈都由眾多運動著的非常小的顆粒構成。3光的微粒說類似于原子論，但兩者又有所不同。在原子論中，原子本身是不可分的，而在微粒說中，微粒原則上是可分的。微粒是單一的、無限小的，具有形狀、大小、顏色和其他物理性質。光就是由這些微小的離散顆粒組成，以光速并帶有沖力沿著直線行進。按照這種設想，光的直線傳播、反射、折射、鏡面成像、透鏡成像等光學現(xiàn)象都不難解釋。4 波動說因惠更斯而得以發(fā)展，他在1690年出版的光論一書中，主張“光同

7、聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ摹?。按照以他名字命名的惠更斯原理，介質中任一波陣面上的各點，都是發(fā)射子波的新波源，在其后的任意時刻，這些子波的包絡面就是新的波陣面。他由此解釋了反射、折射以及冰洲石的奇異折射現(xiàn)象，由于光可以在真空中傳播，因此惠更斯提出，荷載光波的媒介物質（“以太”）應該充滿包括真空在內(nèi)的全部空間。 牛頓早在1664年就開始了光學研究。1666年，他用三棱鏡進行了著名的色散試驗，發(fā)現(xiàn)白光是由各種不同顏色的光組成的。1668年，牛頓制成了第一架反射望遠鏡樣機。1671年，牛頓把經(jīng)過改進的反射望遠鏡獻給了英國皇家學會。1672年，牛頓發(fā)表了關于光和顏色的理論一文，并到皇家學會闡述自己的觀點

8、，認為白光經(jīng)過棱鏡產(chǎn)生色散，分成七色光，這是因為不同顏色微粒的混合與分開造成的。牛頓的主張遭到贊成光波動說的胡克的尖銳批評。牛頓特別生氣，稱胡克完全沒有理解自己這一劃時代發(fā)現(xiàn)的意義。胡克時任皇家學會的“實驗秘書”，脾氣很大，兩人的關系鬧得很僵。牛頓的光學研究停頓了一段時間，不再公開發(fā)表這方面的論文，他將已完成的著作光學延遲到胡克過世后才出版。5 牛頓認為波動說不能簡潔明了地解釋光的直線傳播，不能說明光在晶體中傳播時所顯示出光的傳播的不對稱性。其次，光傳播的“以太”介質假說讓人難以置信。其實，這里涉及科學理論的解釋力問題。反射、折射等現(xiàn)象屬于幾何光學范疇，用微粒說來解釋比較直觀，易于理解與接受，

9、用波動說也能解釋，只不過沒有微粒說的解釋那樣直觀。但對于像“牛頓環(huán)”這樣的現(xiàn)象，用波動說解釋就順理成章，而用微粒說來解釋就有點牽強。在惠更斯和牛頓的論爭中，雙方都只抓對方的弱項，用實驗觀察的結果來判定對方理論是否正確，惠更斯指出，如果光是微粒性的，那么來自不同光源的光線在交叉時就會因發(fā)生碰撞而改變方向，但當時并沒有發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。而在牛頓看來，如果光是一種波，它應當同聲波一樣可以繞過障礙物，而不會產(chǎn)生影子，可在實驗中，光線繞過障礙物的現(xiàn)象并沒有出現(xiàn)。 1703年，胡克去世，同年，牛頓被選為皇家學會會長。此時的牛頓已儼然成為歐洲科學界的教皇。沒有了惠更斯和胡克，波動學說陣營已無力應戰(zhàn)。牛頓派的微粒

10、說占了上風，統(tǒng)治光學界一個世紀之久。牛頓與惠更斯之間的關系，絕不是水火不容的敵我關系?；莞古c牛頓之間在學術中互有交往，牛頓從惠更斯的著作中得到不少啟示，稱其為“德高望重的惠更斯”、“當代最偉大的幾何學家”?；莞乖?0歲時，為了拜訪牛頓和其他幾位科學家，他帶病從荷蘭前往英國。 盡管牛頓不喜歡別人不同意他的觀點，但在學術問題上他還是保持了學者應有的謙遜。他曾反復設計一些光學實驗，詳細記錄了不同薄膜所呈現(xiàn)的各不相同的“牛頓環(huán)”。“在我關于光的粒子結構理論中，我作出的結論是正確的，但是，我作這結論并沒有絕對肯定。只能用一個詞來表示：可能?！?惠更斯更是如此。他在1690年出版的光論的序言中寫道：“

11、還有許多有關光的本性問題有待探究，我沒有妄稱已經(jīng)揭示出光的本性，而我將非常感謝那些能彌補我在知識上的不足的人?！? 牛頓的“微粒說”與惠更斯的“波動說”構成了關于光的兩大基本理論，科學家們就光是波動還是微粒這一問題展開了一場曠日持久的拉鋸戰(zhàn)。整個18世紀，微粒說 與波動說之間的爭論一直持續(xù)，因牛頓在學術界的權威和盛名，“微粒說”一直占據(jù)著主導地位。波動說基本上處于停滯狀態(tài)，微粒說占據(jù)統(tǒng)治地位 在1816至1819年間，幾個著名的微粒說者已經(jīng)意識到了干涉理論可以解釋微粒說無法解釋的現(xiàn)象。他們面臨著抉擇，要么選擇干涉理論，要么固執(zhí)己見。最初的反應是僅將干涉理論作為一個唯象理論。 托馬斯·

12、楊的出現(xiàn)，讓微粒說的一統(tǒng)地位開始出現(xiàn)動搖。牛頓之后的英國，微粒說占據(jù)主流。法國也是如此。其中的大將，是在當時被稱為“法國牛頓”的拉普拉斯。拉普拉斯在政治上見風使舵，以政治投機聞名，曾毛遂自薦當過拿破侖的內(nèi)政部長六個月。盡管微粒派極力捍衛(wèi)，但在解釋干涉、衍射等光學現(xiàn)象時卻捉襟見肘，相反，用波動理論解釋則簡潔許多。菲涅耳優(yōu)美的數(shù)學表述，從內(nèi)部分化了微粒說的陣營；一些原先反對波動說的學者開始“改宗”或“倒戈”，就連一些最堅定的成員也開始動搖，在事實面前接受波動學說。以菲涅耳獲得1819年法國科學院的獎項作為轉折點，光的波動理論重新獲得主導權。 一開始，托馬斯楊是在一些實驗事實的基礎上對牛頓的光學理論

13、產(chǎn)生懷疑。他把光和聲進行了類比，發(fā)現(xiàn)兩者在重疊后都有增強和減弱的現(xiàn)象。1801年，他進行了著名的雙縫干涉實驗。1803年，他根據(jù)光的干涉定律對光的衍射現(xiàn)象做了進一步的解釋，寫成了物理光學的實驗和計算一文，1804年發(fā)表在哲學會刊上。8 楊的理論沒有得到學界的足夠重視，卻引起了微粒派的警覺和反彈。1808年，拉普拉斯用微粒學說分析了光的雙折射現(xiàn)象，以此批駁楊的波動學說。1809年，拉普拉斯的學生、曾參與拿破侖遠征埃及的馬呂斯發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。進一步研究表明，光在折射時是部分偏振的。他用微粒說成功地解釋了雙折射。另一位牛頓派大將畢奧解釋了色偏振，這是一個以前未被注意的新現(xiàn)象。1811年，布儒斯特

14、發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗定律。而按照惠更斯和楊的理論，光應該是一種縱波，縱波是不可能發(fā)生這樣的偏振的。為此，楊又進行了深入研究，1817年，他放棄了惠更斯的光是一種縱波的說法，提出了光是一種橫波的假說，從而比較成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象。8 為了彰顯光的微粒學說的統(tǒng)治地位，拉普拉斯和畢奧提出將光的衍射問題作為1818年法國巴黎科學院懸賞征求最佳論文的題目。但最終事與愿違，獲獎的是試圖復興惠更斯波動學說的外省工程師菲涅耳。這件事本身就非常具有戲劇性。五個評獎委員中有三個拉普拉斯、畢奧、泊松是微粒說的信奉者，但他們?nèi)匀话血勴椊o了菲涅耳。這個事件被視為表明連微粒說理論家都認為菲涅耳的理論優(yōu)于微粒說的證

15、據(jù)。 菲涅耳1814年開始研究光學，寫了一篇關于光行差的論文。1819年，他成功地完成了對由兩個平面鏡所產(chǎn)生的相干光源進行的光的干涉實驗，當年底，他對光的傳播方向進行定性實驗后，與阿拉果一道建立了光的橫波傳播理論。菲涅耳的波動理論以高度發(fā)展的數(shù)學為特征，利用干涉理論對惠更斯原理進行補充，后世稱之為惠更斯菲涅耳原理。 如果不考慮理論背后的本體論承諾，科學家們在比較兩種理論之間的優(yōu)劣時，更多是從美學角度出發(fā)，看是否在數(shù)學上更簡潔。微粒說可以很好地解釋光的反射現(xiàn)象，但解釋衍射和折射現(xiàn)象就比較困難。微粒理論并非不能解釋折射，但是用波動理論解釋起來更簡單，無需另外添加輔助假設等。 菲涅耳的外省人、邊緣人

16、的身份，也許是另一個值得考慮的因素。一方面，他遠離學術中心，沒有太多顧忌，敢于提出全新的看法。另一方面，所謂初生牛犢不怕虎，他有敢于作出重大突破的心理素質。在歷史上，恰恰是這些邊緣人作出了重大發(fā)現(xiàn)。當用微粒說來解釋一些光學現(xiàn)象變得越來越復雜和困難時，“隨著觀測繼續(xù)進行，這些不連貫的附加部分越來越多，直到它們徹底顛覆了最初的框架”。2一個數(shù)學上簡潔優(yōu)美、更具有解釋力的理論就被接受了。在解釋光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等與光的傳播有關的現(xiàn)象時，波動理論取得了完全的成功。 光的波動說獲得承認之后，托馬斯·楊多少有點不服氣。他認為自己“早已植下了這棵樹，而菲涅耳只不過摘下了樹上的蘋果”。

17、菲涅耳與楊的關系從一開始就有點緊張，但還是維持著正常的學術交往。當菲涅耳于1927年英年早逝時，學界公正地評價了他們的貢獻，承認了楊的作用。楊自己也承認，他的貢獻更多是提出“準確的建議而不是“實驗說明”。作為一位“博學者”，他對大的方向有非常敏銳的感覺，但在細節(jié)方面卻缺乏更加深入的研究。8他的干涉原理沒有得到應有和及時的承認，與其博學者身份不無關系。 至此，新的波動學說牢固的建立起來了，光的彈性波動理論既能說明光的直線傳播也能解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象并且橫波的假設又可解釋光的偏振現(xiàn)象看來似乎十分圓滿了，微粒說開始轉向劣勢。 但這時仍把光的波動看作是“以太”中的機械彈性波動，至于“以太”究竟是怎樣

18、的物質，盡管人們賦予它許多附加的性質，仍難自圓其說。這樣，光的彈性波理論存在的問題也就暴露出來了 ，于是各種假說紛紛提出。 三光性質的確立 蘇格蘭物理學家麥克斯韋被認為是處于牛頓和愛因斯坦之間的最偉大的物理學家。 1860年代，光的波動說已經(jīng)確立很久了。麥克斯韋在總結前人關于電磁學方面的研究成果的基礎上， 于 1860年建立了電磁學，并于1861年將光和電磁現(xiàn)象統(tǒng)一起來，認為光就是一定頻率范圍內(nèi)的電磁波，從而確立了波動說的地位。在1865年，麥克斯韋進一步指出光也是一種電磁波，從而產(chǎn)生了光的電磁理論。 1887年，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，也證實了光其實是電磁波的一種，兩者具有共同的波的特

19、性。后來的實驗又證明，紅外線、紫外線和X光都是電磁波，其區(qū)別只是波長不同。 光的電磁理論以大量無可辯駁的事實贏得了普遍的公認。但是，光電磁理論的建立并沒有動搖“以太”的信念，只是以電磁“以太”代替了彈性“以太”。洛倫茲認為，電磁“以太”是一種無處不在充滿廣闊空間的不動的介質，其唯一的特征是，在這種介質中光振動具有恒定的傳播速度。 但是，對電磁“以太”的尋找卻不順利，試驗結果和理論預測之間往往會得出截然相反的結論，使得“以太”理論陷入困境。 1905年9月，愛因斯坦發(fā)表了的“關于運動介質的電動力學”一文。提出了光速不變原理和狹義相對論，從根本上拋棄了“以太”的概念，圓滿地解釋了運動物體的光學現(xiàn)象

20、。這是人們才認識到：電磁波的傳播不需要任何物質，電磁本身就是一種物質，它攜帶著能量以波的形式傳播著，所以電磁波是一種物質波 十八世紀末期，經(jīng)典光學已經(jīng)達到了非常完善的程度，它幾乎已經(jīng)可以解釋所有當時已經(jīng)知道的光學現(xiàn)象（干涉、衍射、偏振、雙折射等）。但是，卻仍然存在一些例外，用麥克斯韋電磁理論無法解釋，其中最著名的是包括光的黑體輻射和光電效應 黑體輻射問題：熾熱的黑體會向外輻射電磁能量，電磁能量按波長是如何分布的呢？按照經(jīng)典電磁理論，輻射能量隨著頻率的增大而趨于無窮。這與實驗觀測結果不符！ 光電效應：實驗上觀察到，光照在金屬表面上可使電子逸出，而逸出電子的能量與光的強度無關，但與光的頻率有關。對

21、此，經(jīng)典理論也無法解釋。 1900年，為了解釋光的黑體輻射，普朗克創(chuàng)立了物質輻射（或吸收）的能量只能是某一最小能量單位（能量量子）的整數(shù)倍的假說，即量子假說，并在此基礎上導出了黑體輻射的能量按波長（或頻率）分布的公式，稱為普朗克公式。 1905年，為了解釋光電效應，愛因斯坦提出了光子假設，當光束與物質相互作用時，其能流并不像波動理論所想象的那樣，是連續(xù)分布的，而是一份一份的集中在一些叫做光子的粒子上。光子只能被整個地吸收和發(fā)射?；谶@個光子假說，愛因斯坦成功地解釋了光電效應。 四光的波粒二象性的發(fā)現(xiàn) 1925年量子力學建立后，物質波的概念得到承認。人們發(fā)現(xiàn)，原子以及組成它們的電子、質子和中子等

22、粒子的運動也具有波的屬性，波動性是物質運動的基本屬性。那種僅僅把波動理解為某種媒介物質的力學振動的狹隘觀點已被“波粒二象性”所取代。經(jīng)過200年的旅程，光的波動學說與微粒學說，在新的實驗事實與理論面前，實現(xiàn)了融合?！安６笮浴辈攀枪獾谋拘?。一方面，在與光的傳播特性有關的一系列現(xiàn)象中（干涉、衍射、偏振等），光表現(xiàn)出波動的本性并可由麥克斯韋電磁理論完美地描述。另一方面，在光與物質作用并產(chǎn)生能量和動量交換的過程中，光又充分表現(xiàn)出分立的量子化（粒子）特征，并可由愛因斯坦光子理論加以描述。 五光學的進一步發(fā)展 20世紀50年代，人們開始把數(shù)學、電子技術和通信理論與光學結合起來，給光學引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關運算等概念，更新了經(jīng)典成像光學，形成了所謂“博里葉光學”。 到60年代，激光器的問世，由此發(fā)展了光放大、混頻和倍頻的技術，電子學的基本技術被擴展到光波波段來，形成光電子學。 80年代以來，光纖通信與光纖傳感技術得到了快速發(fā)展。 參考文獻：1 惠更斯，惠更斯光論 .北京大學出版社 2007年10月第一版，序12.2 Nye M J, ed. The modern physical and math