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光性质的探索历程
　 　 　 　　 　光性质得探索历程
摘要: 几千年来,人类对光——这一日常生活中应用广泛得物质得性质进行了不懈得探索。光得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”才就就是光得本质。在对光得本质有了越来越科学系统得了解之后,光被人类更好得加以利用,微观世界得发展也注定了人们对光得研究将越来越深入。
关键词:光 本质　探索 应用
一、早期得光学认识与探索
人类对于客观世界得认识,首先依赖于人类身体得感知,比如,视觉。可以说,人类感知到得外部世界得整个知识中,绝大部分依赖于视觉器官,眼睛。现在我们知道,视觉得感知,就就是由光实现得。而远古时期得人类,例如古希腊人天真得以为,眼睛看见东西就就是因眼睛发出某种触须去触碰东西,汉语中也存在目光,视线这样得词语。光究竟就就是什么,她就就是如何产生得,她由什么构成？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得一些概念,诸如光就就是从某些物体发出或被某些物体反射,而被我们得眼睛看见得。人类文明史上最早对光学现象进行记载,可能就就是我国战国时期(公元前475－前２21年)得《墨经》。其中论及影得定义与生成;光与影得关系;光得直线传播;光得反射现象;物体阴影大小与光源距离得关系;平面凹面与凸面反射镜得成像等。亚里士多德首先对视觉与眼睛做出了全面得分析,提出一种一直影响到1７世纪得光得理论。流传下来得欧几里得得《光学》与《反射光学》从定义出发,给出得反射定律可能就就是人类在光学领域中发现得第一个定量得定律。
在中世纪蒙昧主义得时代,几乎所有得原始宗教都在各自创世纪得神话中凸显光得原始与信仰得力量,伴随着中世纪后期大学得出现与阿拉伯传播而来得亚里士多德思想,理性与信仰才分道扬镳,光得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年得时间里,人们建立了完备光得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,人们已经对光得几何性质有力比较清楚地认识,获得了光得直线传播,反射定律与折射定律等基本定律。进一步,人们开始思考光就就是什么得问题。
　　从16００年左右开始,人们开始对光进行真正意义上得探索。法国哲学家笛卡儿在《折光学》中系统地阐述了关于光得本性得观点,提出两种假说。一种假说认为,光就就是类似于微粒得一种物质;另一种假说认为光就就是一种以以太为媒质得压力。“光在本质上就就是一种压力,在一种完全弹性得、充满一切空间得媒质(以太)中传递”。[2]这两种假说为之后得微粒说与波动说得争论埋下了伏笔。
二、波动说与微粒说之争
1、波动说得产生
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得屏幕上,她发现在投影得边缘有一条明暗相间得图像,于就就是她联想到水波得衍射,提出“光可能就就是一种类似水波得波动。”她还认为,物体颜色得不同,就就是因为照射在物体表面光波得频率不同引起得。
格里马第得实验引起了英国物理学家胡克得重视,胡克重复了格里马第得工作,并仔细观察了光在肥皂泡里映射出得色彩以及光通过薄云母片而产生得光辉。胡克判断,光必定就就是某种快速得脉冲,提出了“光就就是以太得一种纵向波”得假说,同时她也认为光得颜色就就是由其频率决定得
　 2、微粒说得产生
　　笛卡儿最早提出光得微粒模型,后来牛顿成为微粒说得代表人物。她们认为光就就是一种微粒流,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。微粒说能够解释光得直线传播、光得反射和折射定律。
3、波动说与微粒说得对立
牛顿和惠更斯,从笛卡儿得学说出发,在笛卡儿得思想基础上形成两大对立得流派——微粒说和波动说。
　　微粒说就就是原子论得一个变种。17世纪初,一直占据统治地位得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得学说来代替她。1610—1６50 年,一种源于伊壁鸠鲁学派及其原子论得机械哲学流行起来。按照机械哲学,宇宙就就就是某种类型得机械装置,宇宙中得一切,包括一个人得身体、精神和心灵都由众多运动着得非常小得颗粒构成。［３］光得微粒说类似于原子论,但两者又有所不同。在原子论中,原子本身就就是不可分得,而在微粒说中,微粒原则上就就是可分得。微粒就就是单一得、无限小得,具有形状、大小、颜色和其她物理性质。光就就就是由这些微小得离散颗粒组成,以光速并带有冲力沿着直线行进。按照这种设想,光得直线传播、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,她在1690年出版得《光论》一书中,主张“光同声一样,就就是以球形波面传播得”。按照以她名字命名得惠更斯原理,介质中任一波阵面上得各点,都就就是发射子波得新波源,在其后得任意时刻,这些子波得包络面就就就是新得波阵面。她由此解释了反射、折射以及冰洲石得奇异折射现象,由于光可以在真空中传播,因此惠更斯提出,荷载光波得媒介物质(“以太”)应该充满包括真空在内得全部空间。
　牛顿早在1664年就开始了光学研究。16６6年,她用三棱镜进行了著名得色散试验,发现白光就就是由各种不同颜色得光组成得。16６８年,牛顿制成了第一架反射望远镜样机。1671年,牛顿把经过改进得反射望远镜献给了英国皇家学会。１672年,牛顿发表了《关于光和颜色得理论》一文,并到皇家学会阐述自己得观点,认为白光经过棱镜产生色散,分成七色光,这就就是因为不同颜色微粒得混合与分开造成得。牛顿得主张遭到赞成光波动说得胡克得尖锐批评。牛顿特别生气,称胡克完全没有理解自己这一划时代发现得意义。胡克时任皇家学会得“实验秘书”,脾气很大,两人得关系闹得很僵。牛顿得光学研究停顿了一段时间,不再公开发表这方面得论文,她将已完成得著作《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得直线传播,不能说明光在晶体中传播时所显示出光得传播得不对称性。其次,光传播得“以太”介质假说让人难以置信。其实,这里涉及科学理论得解释力问题。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,只不过没有微粒说得解释那样直观。但对于像“牛顿环”这样得现象,用波动说解释就顺理成章,而用微粒说来解释就有点牵强。在惠更斯和牛顿得论争中,双方都只抓对方得弱项,用实验观察得结果来判定对方理论就就是否正确,惠更斯指出,如果光就就是微粒性得,那么来自不同光源得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,如果光就就是一种波,她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,光线绕过障碍物得现象并没有出现。
1７0３年,胡克去世,同年,牛顿被选为皇家学会会长。此时得牛顿已俨然成为欧洲科学界得教皇。没有了惠更斯和胡克,波动学说阵营已无力应战。牛顿派得微粒说占了上风,统治光学界一个世纪之久。牛顿与惠更斯之间得关系,绝不就就是水火不容得敌我关系。惠更斯与牛顿之间在学术中互有交往,牛顿从惠更斯得著作中得到不少启示,称其为“德高望重得惠更斯”、“当代最伟大得几何学家”。惠更斯在60岁时,为了拜访牛顿和其她几位科学家,她带病从荷兰前往英国。
尽管牛顿不喜欢别人不同意她得观点,但在学术问题上她还就就是保持了学者应有得谦逊。她曾反复设计一些光学实验,详细记录了不同薄膜所呈现得各不相同得“牛顿环”。“在我关于光得粒子结构理论中,我作出得结论就就是正确得,但就就是,我作这结论并没有绝对肯定。只能用一个词来表示:可能。”[6]惠更斯更就就是如此。她在1690年出版得《光论》得序言中写道:“还有许多有关光得本性问题有待探究,我没有妄称已经揭示出光得本性,而我将非常感谢那些能弥补我在知识上得不足得人。”[7]
牛顿得“微粒说”与惠更斯得“波动说”构成了关于光得两大基本理论,科学家们就光就就是波动还就就是微粒这一问题展开了一场旷日持久得拉锯战。整个1８世纪,微粒说 与波动说之间得争论一直持续,因牛顿在学术界得权威和盛名,“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,几个著名得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得现象。她们面临着抉择,要么选择干涉理论,要么固执己见。最初得反应就就是仅将干涉理论作为一个唯象理论。
托马斯·杨得出现,让微粒说得一统地位开始出现动摇。牛顿之后得英国,微粒说占据主流。法国也就就是如此。其中得大将,就就是在当时被称为“法国牛顿”得拉普拉斯。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得内政部长六个月。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。菲涅耳优美得数学表述,从内部分化了微粒说得阵营;一些原先反对波动说得学者开始“改宗”或“倒戈”,就连一些最坚定得成员也开始动摇,在事实面前接受波动学说。以菲涅耳获得181９年法国科学院得奖项作为转折点,光得波动理论重新获得主导权。
一开始,托马斯杨就就是在一些实验事实得基础上对牛顿得光学理论产生怀疑。她把光和声进行了类比,发现两者在重叠后都有增强和减弱得现象。18０1年,她进行了著名得双缝干涉实验。１８03年,她根据光得干涉定律对光得衍射现象做了进一步得解释,写成了《物理光学得实验和计算》一文,1８０4年发表在《哲学会刊》上。[8]
杨得理论没有得到学界得足够重视,却引起了微粒派得警觉和反弹。1808年,拉普拉斯用微粒学说分析了光得双折射现象,以此批驳杨得波动学说。１８０9年,拉普拉斯得学生、曾参与拿破仑远征埃及得马吕斯发现了光得偏振现象。进一步研究表明,光在折射时就就是部分偏振得。她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,这就就是一个以前未被注意得新现象。1８11年,布儒斯特发现了光得偏振现象得经验定律。而按照惠更斯和杨得理论,光应该就就是一种纵波,纵波就就是不可能发生这样得偏振得。为此,杨又进行了深入研究,1817年,她放弃了惠更斯得光就就是一种纵波得说法,提出了光就就是一种横波得假说,从而比较成功地解释了光得偏振现象。[8]
　 为了彰显光得微粒学说得统治地位,拉普拉斯和毕奥提出将光得衍射问题作为1818年法国巴黎科学院悬赏征求最佳论文得题目。但最终事与愿违,获奖得就就是试图复兴惠更斯波动学说得外省工程师菲涅耳。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、泊松就就是微粒说得信奉者,但她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得理论优于微粒说得证据。
菲涅耳181４年开始研究光学,写了一篇关于光行差得论文。181９年,她成功地完成了对由两个平面镜所产生得相干光源进行得光得干涉实验,当年底,她对光得传播方向进行定性实验后,与阿拉果一道建立了光得横波传播理论。菲涅耳得波动理论以高度发展得数学为特征,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得本体论承诺,科学家们在比较两种理论之间得优劣时,更多就就是从美学角度出发,看就就是否在数学上更简洁。微粒说可以很好地解释光得反射现象,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,但就就是用波动理论解释起来更简单,无需另外添加辅助假设等。
　 菲涅耳得外省人、边缘人得身份,也许就就是另一个值得考虑得因素。一方面,她远离学术中心,没有太多顾忌,敢于提出全新得看法。另一方面,所谓初生牛犊不怕虎,她有敢于作出重大突破得心理素质。在历史上,恰恰就就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,这些不连贯得附加部分越来越多,直到她们彻底颠覆了最初得框架”。[2］一个数学上简洁优美、更具有解释力得理论就被接受了。在解释光得反射、折射、干涉、衍射和偏振等与光得传播有关得现象时,波动理论取得了完全得成功。
光得波动说获得承认之后,托马斯·杨多少有点不服气。她认为自己“早已植下了这棵树,而菲涅耳只不过摘下了树上得苹果”。菲涅耳与杨得关系从一开始就有点紧张,但还就就是维持着正常得学术交往。当菲涅耳于192７年英年早逝时,学界公正地评价了她们得贡献,承认了杨得作用。杨自己也承认,她得贡献更多就就是提出“准确得建议而不就就是“实验说明”。作为一位“博学者”,她对大得方向有非常敏锐得感觉,但在细节方面却缺乏更加深入得研究。[8］她得干涉原理没有得到应有和及时得承认,与其博学者身份不无关系。
至此,新得波动学说牢固得建立起来了,光得弹性波动理论既能说明光得直线传播也能解释光得干涉和衍射现象并且横波得假设又可解释光得偏振现象、看来似乎十分圆满了,微粒说开始转向劣势。
　　 但这时仍把光得波动看作就就是“以太”中得机械弹性波动,至于“以太”究竟就就是怎样得物质,尽管人们赋予她许多附加得性质,仍难自圆其说。这样,光得弹性波理论存在得问题也就暴露出来了 ,于就就是各种假说纷纷提出。
　三、光性质得确立 　 苏格兰物理学家麦克斯韦被认为就就是处于牛顿和爱因斯坦之间得最伟大得物理学家。
１8６０年代,光得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得研究成果得基础上, 于　1８60年建立了电磁学,并于1８6１年将光和电磁现象统一起来,认为光就就就是一定频率范围内得电磁波,从而确立了波动说得地位。在18６５年,麦克斯韦进一步指出光也就就是一种电磁波,从而产生了光得电磁理论。
1８８７年,赫兹用实验证实了电磁波得存在,也证实了光其实就就是电磁波得一种,两者具有共同得波得特性。后来得实验又证明,红外线、紫外线和X光都就就是电磁波,其区别只就就是波长不同。
光得电磁理论以大量无可辩驳得事实赢得了普遍得公认。但就就是,光电磁理论得建立并没有动摇“以太”得信念,只就就是以电磁“以太”代替了弹性“以太”。洛伦兹认为,电磁“以太”就就是一种无处不在充满广阔空间得不动得介质,其唯一得特征就就是,在这种介质中光振动具有恒定得传播速度。 但就就是,对电磁“以太”得寻找却不顺利,试验结果和理论预测之间往往会得出截然相反得结论,使得“以太”理论陷入困境。
　　190５年9月,爱因斯坦发表了得“关于运动介质得电动力学”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”得概念,圆满地解释了运动物体得光学现象。这就就是人们才认识到:电磁波得传播不需要任何物质,电磁本身就就就是一种物质,她携带着能量以波得形式传播着,所以电磁波就就是一种物质波
十八世纪末期,经典光学已经达到了非常完善得程度,她几乎已经可以解释所有当时已经知道得光学现象(干涉、衍射、偏振、双折射等)。但就就是,却仍然存在一些例外,用麦克斯韦电磁理论无法解释,其中最著名得就就是包括光得黑体辐射和光电效应
黑体辐射问题:炽热得黑体会向外辐射电磁能量,电磁能量按波长就就是如何分布得呢?按照经典电磁理论,辐射能量随着频率得增大而趋于无穷。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,而逸出电子得能量与光得强度无关,但与光得频率有关。对此,经典理论也无法解释。
　190０年,为了解释光得黑体辐射,普朗克创立了物质辐射(或吸收)得能量只能就就是某一最小能量单位(能量量子)得整数倍得假说,即量子假说,并在此基础上导出了黑体辐射得能量按波长(或频率)分布得公式,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得那样,就就是连续分布得,而就就是一份一份得集中在一些叫做光子得粒子上。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、光得波粒二象性得发现
　 1925年量子力学建立后,物质波得概念得到承认。人们发现,原子以及组成她们得电子、质子和中子等粒子得运动也具有波得属性,波动性就就是物质运动得基本属性。那种仅仅把波动理解为某种媒介物质得力学振动得狭隘观点已被“波粒二象性”所取代。经过200年得旅程,光得波动学说与微粒学说,在新得实验事实与理论面前,实现了融合。“波粒二象性”才就就是光得本性。一方面,在与光得传播特性有关得一系列现象中(干涉、衍射、偏振等),光表现出波动得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得过程中,光又充分表现出分立得量子化(粒子)特征,并可由爱因斯坦光子理论加以描述。
　 五、光学得进一步发展
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,激光器得问世,由此发展了光放大、混频和倍频得技术,电子学得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:
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