光的本質探究

尹隆丞

【摘要】本文從牛頓時代對光的本質的解釋出發，首先介紹了牛頓的微粒說、惠更斯的波動說和麥克斯韋電磁說，并指出這些學說中與實驗現象不符的地方。最后介紹了光的波粒二象性和光的量子說，盡管量子力學中對測量的本質還有爭議，但由于光量子說可以很好地解釋已知的所有光學現象，因此被物理學者廣泛接受。

【關鍵詞】微粒說 ?波動說 ?電磁說 ?波粒二象性

【中圖分類號】G633.7 ?【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）27-0172-01

日光、燈光使得我們可以看見色彩斑斕的世界，高頻X光幫助我們診斷病情，低頻無線電波使得我們可以隨時隨地使用手機連接互聯網，無處不在的路由器發射的Wi-Fi信號也是低頻光波。從17世紀開始人們就開始了對光的研究，有關光最早的系統理論是牛頓的微粒說，由于牛頓微粒說存在的缺點，惠更斯提出了光的波動說;后來又有麥克斯韋的電磁說和愛因斯坦的光的粒子說。最新的理論認為光既是粒子也是波，也就是光有波粒二象性，但光何時表現粒子性、何時表現波動性卻仍是困擾當今科學界的一個問題。

一、牛頓微粒說和惠更斯的波動說

光充滿著整個世界，從南北極絢麗的極光到日常生活中隨處可見的白熾燈，到處都能看到光存在的痕跡。而有關光的學說早在幾個世紀前就已經開始發展并延續至今，其中兩個最經典的早期學說分別是牛頓的微粒說和惠更斯的波動說，這也是人類對光的本質的探索邁出的第一步。

牛頓時代之前的人們已經注意到了光的反射和折射以及光的顏色等現象，但那時人們把物體表面的顏色差別解釋為物體可以轉變白光。但牛頓從三棱鏡的分光實驗中敏銳的察覺到日光本身就是由不同顏色的光組成的。牛頓觀察到光透過三棱鏡在屏上顯現出其中不同的顏色，然后在紅色光的后面又放了一個三棱鏡，發現紅色光還是紅色光。這就證明了三棱鏡并不能改變光的顏色。由此出發，牛頓提出了光的微粒說[1]，認為光是一種物質，不同顏色的光就是不同的微粒，將它們混合到一起，就變成了其他的顏色。

微粒說還可以解釋光的反射、折射等。牛頓認為光微粒在介質中會受到介質施加的力，在同種介質中各個方向受力均勻因而相互抵消，因此沿直線運動;光微粒在兩種介質交界處發生碰撞，其運動規律與小球和剛性界面發生彈性碰撞相同，因此光在反射時入射角等于反射角;牛頓又把介質分為光疏介質和光密介質，光微粒在光疏介質中受力大于光密介質，進而解釋了光的折射定律，且按照牛頓的微粒說，光在光密介質中的運動速率大于光疏介質。

盡管牛頓微粒說可以解釋很多現象，但其也有非常致命的錯誤，如其不能解釋光為何可以同時發生反射和折射，也不能解釋為何兩束光交叉卻不能發生碰撞。因為微粒說存在的這些先天性缺陷，惠更斯提出光是一種波的概念，也就是光波動說。其核心思想是次光源的概念，也就是光在傳播中的波前上的每一點都是下一刻次級球面波的子波源，所有子波源的包絡面形成新的波前。惠更斯的波動說也可解釋光的直進性和光的反射、折射等現象，但給出的結論是光在光密介質中運動速度大于在光疏介質中的運動速度，這一觀點與牛頓完全相反。惠更斯的波動說也有其不足之處，如它不能解釋光為何不能向后傳播，其次波動說依賴于傳播介質，但沒有證據表明空間中存在供光傳播的介質。

二、麥克斯韋電磁說

楊氏雙縫實驗發現了光的干涉條紋，這使得光的波動說的地位更加穩固。但既然光是一種波，人們卻對這種波動的本質一無所知。麥克斯韋證明了光是一種電磁波。

三、光的波粒二象性

光的電磁說可以很好地解釋當時已知的所有光學現象，但隨著實驗物理的進展，光的電磁說在解釋黑體輻射光譜和光電效應時卻遇到了極大困難。黑體是一個對全波段電磁波吸收率為1的理想物體，其發射光譜僅與黑體溫度有關，然而電磁理論卻不能解釋實驗測得的黑體輻射光譜。普朗克提出了光在黑體中吸收和輻射時以量子化的形式存在，也就是光是一個一個的粒子，每個光子的能量為？捩？棕，其中？捩是約化普朗克常量，？棕是光的角頻率。普朗克通過光的量子化成功地得到了符合實驗現象的黑體輻射公式。光電效應指的是當光照射到金屬表面時會激發出金屬中的電子從而形成光電流的現象，于1887年由赫茲發現。赫茲發現，某種金屬如果要產生光電效應，其入射光的頻率必須大于某個頻率。這個現象與光的電磁波理論相違背，因為光的電磁理論表明電磁波的能量正比于振幅，只要振幅足夠大，光的能量總可以激發金屬中的電子產生光電效應。對此，愛因斯坦進一步提出，光在傳播過程中也是量子化的，從而解釋了光電效應[2]。

光的波動性和粒子性貌似是矛盾的[3]，這一點可以被光的量子性解決。量子力學中，光被表示為概率波？鬃（x，t），概率波的模平方？鬃（x，t）2是光子在t時刻出現在x點的概率，如果存在某種可能的測量，則光表現出粒子性，以概率？鬃（x，t）2出現在x點。光在傳播時以概率波的形式，而在觀測時表現出粒子特性。光的干涉是單個光子在不同路徑上的概率波的干涉，此時光表現出波動性;光電效應可以視為對光子的一種測量行為，因此光的量子說可以同時解釋光的波動性和粒子性。光的延遲選擇實驗表明光并非在實驗之前就已經決定了要表現出波動性還是粒子性，而是以概率波的形式彌漫在整個空間，也就是表現為量子特性。

結束語

從牛頓微粒說與惠更斯波動說到光的量子性，這個探索的過程有著難以想象的困難，正是先賢們刻苦務實的鉆研精神與勇于質疑的創新精神才填平了這道鴻溝。通過對光的本質探究的基本學習，我深刻地體會到了其中的不易，也希望有機會在物理領域上做出自己的貢獻，延續先賢的精神與智慧。

參考文獻：

[1]朱建廉.“微粒說”對光的折射現象的解釋[J].物理通報，2008（10）：62-63.

[2]楊際青.愛因斯坦光電方程與光電效應實驗外推法[J].大學物理，2003（3）：27-29.

[3]黃志洵.波粒二象性理論的若干問題[J].中國工程科學，2002（1）：54-63.