光的波粒二象性的辯證思維意義

摘要光的波動說與微粒說之爭從十七世紀初笛卡兒提出的兩點假說開始，至二十世紀初以光的波粒二象性而告終。本文基于光的波粒二象性理論基礎之上，先揭示牛頓微粒說和惠更斯波動說理論的局限性， 進一步闡述光的波粒二象性的辯證思維意義。

關鍵詞微粒說波動說光的波粒二象性辯證思維

中圖分類號：B026文獻標識碼：A

Sense of Dialectical Thinking of The Wave-particle Duality of Light Theory

ZHOU Qian

(Institution of Politic and Public Administration， Southwest University， Chongqing 400715)

AbstractThe argument between the wave theory of light and the particle theory of light started with the beginning of 17 century when Descartes proposed two hypotheses， it ended with the wave-particle duality of light in twentieth century. The article based on the wave-particle duality of light reveal the limitations of the particle theory of Newton and the wave theory of Huygens at first and then further expounded the dialectical thinking of the wave-particle duality of light.

Key wordsthe particle theory of Light; the wave theory of light; the wave-particle duality of light

1 光的波粒二象性―光的波動說與微粒說之爭

1.1 光的波動說與微粒說―第一次爭論

光一直被認為是最小的物質，雖然它是個最特殊的物質，但可以說探索光的本性也就等于探索物質的本性。歷史上，整個物理學正是圍繞著物質究竟是波還是粒子而展開的。

對于解決當時人們對物理光學的研究過程中的焦點問題即光的本性問題和光的顏色問題，關于光的本性問題，笛卡爾的在他《方法論》的三個附錄之一《折光學》中提出了兩種假說。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。他的這兩種假說為后來的微粒說和波動說的爭論埋下了伏筆。

十七世紀中期，物理光學有了進一步的發展。1655年，意大利數學教授格里馬第在觀測放在光束中的小棍子的影子時，首先發現了光的衍射現象。他設計了實驗證明光的現象與水波現象的相似。從而得出結論：光是一種能夠作波浪式運動的流體，光的不同顏色是波動頻率不同的結果。

1672年，牛頓通過他所作的光的色散實驗：讓太陽光通過一個小孔后照在暗室里的棱鏡上，在對面的墻壁上會得到一個彩色光譜。他用微粒說闡述了光的顏色理論，得出了光的復合和分解就像不同顏色的微粒混合在一起又被分開一樣。同年由胡克和波義耳等組成的英國皇家學會評議委員會對牛頓的論文《關于光和色的新理論》基本上持以否定的態度。牛頓開始并沒有完全否定波動說，也不是微粒說偏執的支持者。但在爭論展開以后，牛頓在很多論文中對胡克的波動說進行了反駁。由于此時的牛頓和胡克都沒有形成完整的理論，因此波動說和微粒說之間的論戰并沒有全面展開。第一次波動說與粒子說的爭論由“光的顏色”這根導火索引燃了。

1.2 光的波動說與微粒說―第二次爭論

波動說的支持者，荷蘭物理學家惠更斯重復了牛頓的光學試驗。他仔細地研究了牛頓的光學試驗和格里馬第實驗，認為其中有很多現象都是微粒說所無法解釋的。因此，惠更斯認為，光是一種機械波；光波是一種靠物質載體來傳播的縱向波，傳播它的物質載體是“以太”；波面上的各點本身就是引起媒質振動的波源。

同時，牛頓的微粒學說也逐步的建立和完善起來了。牛頓基于各類實驗，在《光學》一書中提出了兩點反駁惠更斯的理由：第一，光如果是一種波，它應該同聲波一樣可以繞過障礙物、不會產生影子；第二，冰洲石的雙折射現象說明光在不同的邊上有不同的性質，波動說無法解釋其原因。隨著牛頓聲望的提高，人們對他的理論頂禮膜拜，重復他的實驗，并堅信與他相同的結論。整個十八世紀，幾乎無人向微粒說挑戰，也很少再有人對光的本性作進一步的研究。隨后英國物理學家托馬斯#8226;楊開始對牛頓的光學理論產生了懷疑。根據一些實驗事實，托馬斯#8226;楊認為光是在以太流中傳播的彈性振動，并指出光是以縱波形式傳播的。然后，他也進行了著名的楊氏雙縫干涉實驗。實驗所使用的白屏上明暗相間的黑白條紋證明了光的干涉現象，從而證明了光是一種波。

1811年，布呂斯特在研究光的偏振現象時發現了光的偏振現象的經驗定律。光的偏振現象和偏振定律的發現，使當時的波動說陷入了困境，使物理光學的研究更朝向有利于微粒說的方向發展。1819年底，在菲涅耳對光的傳播方向進行定性實驗之后，他與阿拉戈一道建立了光波的橫向傳播理論。十九世紀中后期，在光的波動說與微粒說的論戰中，波動說已經取得了決定性勝利。

1.3 以光的的波粒二象性告終

1905年3月，愛因斯坦在德國《物理年報》上發表了題為《關于光的產生和轉化的一個推測性觀點》的論文他認為對于時間的平均值，光表現為波動；對于時間的瞬間值，光表現為粒子性。這是歷史上第一次揭示微觀客體波動性和粒子性的統一，即波粒二象性。

2 對于光的波粒二象性的辯證思維思考

辯證思維最基本的特點是將對象作為一個整體，從其內在矛盾的運動、變化及各個方面的相互聯系中進行考察，以便從本質上系統地、完整地認識對象。辯證思維的實質就是按照唯物辯證法的原則，在聯系和發展中把握認識對象，在對立統一中認識事物。下面從辯證思維來揭示牛頓微粒說和惠更斯波動說理論的局限性，進一步闡述光的波粒二象性的辯證思維意義。

牛頓用微粒說輕而易舉地解釋了光的直進、反射和折射現象。由于微粒說通俗易懂，又能解釋常見的一些光學現象，獲得了人們的承認和支持。但是，微粒說并不是“萬能”的，比如，它無法解釋為什么幾束在空間交叉的光線能彼此互不干擾地獨立前時，為什么光線并不是永遠走直線，而是可以繞過障礙物的邊緣拐彎傳播等現象。為了解釋牛頓的微粒說不能說明的的這些現象，荷蘭物理學家惠更斯，提出了與微粒說相對立的波動說。波動說不但解釋了幾束光線在空間相遇不發生干擾而獨立傳播，而且解釋了光的反射和折射現象，不過在解釋折射現象時，惠更斯假設光在水中的速度小于在空氣中的速度，這與牛頓的解釋正好相反。盡管波動說可以解釋不少光學現象，但由于它很不完善，解釋不了人們最熟悉的光的直進和顏色的起源等問題，所以沒有得到廣泛的支持。最后是微粒說和波動說的完美結合愛因斯坦運用光量子說――全新意義上的微粒說，把光電效應解釋得一清二楚。但是，愛因斯坦并沒有拋棄波動說，而是把二者巧妙地結合在一起，并辨證地指出：“光――同時又是波，又是粒子，是連續的，又是不連續的，自然界喜歡矛盾……”

因此，牛頓用微粒說沒有解釋的一些光學現象和惠更斯的波動說的很不完善的解釋，說明當時他們沒有運用全面的觀點去考察思維對象，即從時空整體上全面地考察思維對象的橫向聯系和縱向發展過程。換言之，就是對思維對象作多方面、多角度、多側面、多方位的考察的一種觀點方法。最后是微粒說和波動說的完美結合―愛因斯坦光量子理論的兩個基本方程E = hν和ｐ = (h/λ)中，把粒子和波緊密地聯系在一起，充分的說明了愛因斯坦從辯證思維方法來闡述光的波粒二象性。光學的發展也因為辯證思維的滲透跨上了一個新的臺階，這也是自然科學的一次偉大的飛躍。

正如恩格斯在《自然辯證法》中指明了自然科學家要取得更大成就，就一刻也離不開辯證思維。《自然辯證法》重點考察了科學與哲學的相互關系。一方面哲學以自然科學為基礎，自然科學的進步推動著哲學的發展。另一方面，以具體科學為基礎的唯物辯證法，又給予自然科學以世界觀和一般方法論的指導。19世紀、特別是20世紀，自然科學在各個領域都取得了空前而巨大的發展和變革。正如當年恩格斯所說:“經驗自然科學獲得了巨大的發展和極其輝煌的成果，甚至不僅有可能完全克服十八世紀機械論的片面性，而且自然科學本身，也由于證實了自然界本身中所存在的各個研究部門(力學、物理學、化學、生物學等等)之間的聯系，從而經驗科學變成了理論科學”；相應地，人們的思維方式也需要“從形而上學的思維復歸到辯證的思維”，“這種復歸可以通過各種不同的道路達到”。由此，我們認為，從辯證思維來思考自然科學的問題，是必要的而且是不可或缺的。

參考文獻

[1]恩格斯.自然辯證法[M].北京:人民出版社，1995.

[2]林德宏.科學思想史.南京:江蘇科學技術出版社，2004.