閑談光的波粒之爭

漫談光發(fā)展中的恩怨糾葛Tobeornottobe:thatisthequestion光成像在古希臘時代，人們猜想，光是一種從我們的眼睛中發(fā)射出去的東西，當它到達某樣事物的時候，這樣事物就被我們所“看見”。柏拉圖認為有三種不同的光，分別來源于眼睛、被看到的物體、光源本身，而視覺是三者綜合作用的結果2光成像盧克萊修（物性論）：光是從光源直接到達人眼的，但始終不為人們接收。伊斯蘭的阿爾.哈桑：我們之所以能夠看到物體，知識由于光從物體上反射進我們眼睛中的結果。3盧克萊修阿爾.哈桑羅杰爾.培根光的運動4歐幾里德--光的反射開普勒—光的折射涅耳—光的折射定律費馬“光總是走最短的路線”，光學作為一門物理學被正式確立起來微粒說微粒說：光是由一粒粒非常小的“光原子”所組成的。

（這種觀點一方面十分符合當時流行的元素說，另外一方面，古代的人們除了粒子之外對別的物質形式也了解得不是太多）

5微粒說微粒說：光是由一粒粒非常小的“光原子”所組成的。

（這種觀點一方面十分符合當時流行的元素說，另外一方面，古代的人們除了粒子之外對別的物質形式也了解得不是太多）

能用來解釋的問題（1）為什么光總是沿著直線前進，（2）為什么會嚴格而經典的反射，（3）折射現(xiàn)象（可以由粒子流在不同介質里的速度變化而得到解釋）顯而易見的困難（1）兩道光相互碰撞的時候不會相互彈開，（2）這些細小的光粒子在燈亮之前隱藏在何處，（3）光粒子的數(shù)量是不是無限多6波動說7笛卡兒格里馬第在他《方法論》的三個附錄之一《折光學》中率

先提出了這樣的可能：光是一種壓力，在媒質里傳播。

意大利的一位數(shù)學教授格里馬第（FrancescoMariaGrimaldi）做了一個實驗，他讓一束光穿過兩個小孔后照到暗室里的屏幕上，發(fā)現(xiàn)在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格里馬第馬上聯(lián)想

起了水波的衍射，于是提出：光可能是一種類似水波的波動，這就是最早的光波動說。

波動說波動說：光不是一種物質粒子，而是由于介質的振動而產生的一種波。8波動說波動說：光不是一種物質粒子，而是由于介質的振動而產生的一種波。9容易解釋（1）投影里的明暗條紋（2）直線傳播和反射（光的波長是極短的，在大多數(shù)情況下，光的行為猶同經典粒子一樣）基本的難題：既然波本身是介質的振動，那它必須在某種介質中才能夠傳遞。而光則不然，它似乎不需要任何媒介就可以任意地前進。

波動說但是波動說巧妙地擺脫了這個難題：它假設了一種看不見摸不著的介質來實現(xiàn)光的傳播，這種介質有一個十分響亮而讓人印象深刻的名字，叫做“以太”（Aether）。波動說作為一種新興的理論，迅速發(fā)展與微粒平分秋色，格里馬第的光衍射實驗是最好的說明。但它卻拖著一個沉重的包袱----以太的假設，這個憑空想象出來的媒介。10第一次波粒戰(zhàn)爭11

導火索：在1663年提出的一個理論——我們看到的各種顏色，其實并不是物體本身的屬性，而是光照上去才產生的效果。從而對顏色屬性的激烈爭論。波義耳格里馬第認為：顏色的不同是因為光波頻率的不同引起的。羅伯特·胡克：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生的光輝。根據(jù)他的判斷,光必定是某種快速的脈沖,于是他在1665年出版的《顯微術》（Micrographia）一書中明確地支持波動說。

12羅伯特·胡克《顯微術》是一本劃時代的偉大著作，它很快為胡克贏得了世界性的學術聲譽，波動說由于這位大將的加入，似乎也在一時占了上風。

第一次波粒戰(zhàn)爭第一次波粒戰(zhàn)爭13

在1666年，牛頓在家休假期間用三棱鏡進行了著名的色散試驗。(1)由此發(fā)現(xiàn)了白光是由各種不同顏色的光組成的。(2)牛頓又設法將幾種不同的單色光合成白光，并且計算出不同顏色光的折射率，結論：物質的色彩是不同顏色的光在物體上有不同的反射率和折射率造成的。公元1672年，牛頓把自己的研究成果發(fā)表在《皇家學會哲學雜志》上艾薩克·牛頓光的色散第一次波粒戰(zhàn)爭然而牛頓的理論里，光的復合和分解被比喻成不同顏色微粒的混合和分開。他的文章被交給一個三人評議會審閱，胡克和波義耳正是這個評議會的成員，胡克對此觀點進行了激烈的抨擊。胡克：牛頓論文中正確的部分（也就是色彩的復合）是竊取了他1665年的思想，而牛頓“原創(chuàng)”的微粒說則不值一提，僅僅是“假說”而已。

14這個批評雖然不能說是全無道理，但很可能只是胡克想給牛頓來一個下馬威。作為當時在光學和儀器方面獨一無二的權威，胡克顯然沒把牛頓這個毛頭小伙放在眼里，他后來承認說，自己只花了3－4小時來閱讀牛頓的文章。

第一次波粒戰(zhàn)爭牛頓大概有生以來都沒見過這樣直截了當?shù)呐u，他勃然大怒。

在R.S.Westfall那本名揚四海的牛頓傳記《NeveratRest》中描述道：“牛頓實際上用胡克的名字串起了一首疊句詩”。（花了整整4個月時間寫了一篇洋洋灑灑的長文，在每一點上都進行了反駁。胡克慘遭炮轟，他的名字出現(xiàn)在第一句里，出現(xiàn)在最后一句里，在中間更出現(xiàn)了25次以上）15第一次波粒戰(zhàn)爭就這樣，胡克大言不慚在前，牛頓惡語相譏于后，兩個人都格外敏感且心胸狹窄，最終不可避免地成為畢生的死敵。

牛頓的狂怒并沒有就此平息，他對每一個批評都報以挑釁性的回復，包括用詞謹慎的惠更斯在內。他撤回了所有原本準備在皇家學會發(fā)表的文章，到了1673年3月，他甚至在一封信里威脅說準備退出學會。

16第一次波粒戰(zhàn)爭其實在此之前，牛頓的觀點還是在微粒和波動之間有所搖擺的，并沒有完全否認波動說。在牛頓最初的理論中，微粒只是一個臨時的方便假設而已，根本不是主要論點

即使在胡克最初的批評之后，牛頓還是作出了一定的妥協(xié)，給波動說提出了一些非常重要的改進意見。但在此之后，牛頓與胡克的關系進一步惡化，他最終開始一面倒地支持微粒說。

17第一次波粒戰(zhàn)爭一方面因為胡克的名氣，另一方面也因為牛頓的注意力更多地轉移到了別的方面，牛頓當時仍然沒有正式地全面論證微粒說（只是在幾篇論文中反駁了胡克）。而胡克被牛頓激烈的言辭嚇了一跳，也暫且鳴金收兵。

18荷蘭物理學家惠更斯（ChristiaanHuygens）登上舞臺，他繼承了胡克的思想，認為光是一種在以太里傳播的縱波，成功地證明和推導了光的反射和折射定律。成為了波動說的主將。1690年，惠更斯的著作《光論》（TraitedelaLumiere）出版，標志著波動說在這個階段到達了一個興盛的頂點。

ChristiaanHuygens第一次波粒戰(zhàn)爭接著胡克于1703年眾叛親離地死去，第二年，也就是1704年，牛頓終于出版了他的煌煌巨著《光學》。牛頓在介紹中寫道：“為了避免在這些事情上引起爭論，我推遲了這本書的付梓時間。而且要不是朋友們一再要求，還將繼續(xù)推遲下去?！薄豆鈱W》是一本劃時代的作品，幾乎可以與《原理》并列的偉大杰作，在之后整整100年內，它都被奉為不可動搖的金科玉律。第一次波粒戰(zhàn)爭就這樣以波動的慘敗而告終，戰(zhàn)爭的結果是微粒說牢牢占據(jù)了物理界的主流。

19閑話：牛頓與胡克胡克和牛頓在歷史上也算是一對歡喜冤家。除了關于光本性的爭論之外，他們之間還有一個爭執(zhí)，那就是萬有引力的平方反比定律（ISL）究竟是誰發(fā)明的問題。牛頓：他竟然把引力看成不隨距離而變化的常量，并認為物體下落是一個圓螺線。胡克：糾正了他的錯誤，并在年份1月6日的信中假設引力大小是與距離的平方成反比的。胡克把牛頓的錯誤捅到了皇家學會那里，這使得牛頓極為光火，新仇舊恨，成為終生的對手。

20閑話：牛頓與胡克《原理》發(fā)表后，胡克要求牛頓承認他對于平方反比定律發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權，在前言里提及一下。牛頓再次狂怒：他暴跳如雷，從《原理》里面刪掉了絕大多數(shù)有關胡克的引用，剩下不多的，用詞也從“非常尊敬的胡克先生”變成了簡單的“胡克”兩個字。他是如此怒氣沖天，甚至拒絕出版《原理》第三卷。

21胡克的成就《顯微術》更是17世紀最偉大的著作之一。他是最杰出的建筑設計