從認識角度看待光的波粒二象性

孫明勇

摘 要：歷史上人們對光是一種波還是粒子進行了大約300年的爭論，經歷了一系列的認識過程，最終確認光具有波粒二象性。本文從認識角度出發，簡要闡述光的波粒二象性的認識過程。

關鍵詞：認識;波動說;粒子說;光的波粒二象性

認識是在實踐的基礎上，主體對客體的能動反映。認識是一種過程，是從感性認識到理性認識，再從理性認識到實踐，再認識、再實踐，循環往復一種螺旋式上升的過程。歷史上人們對光的認識經歷了感性認識、理性認識、再認識等一系列過程。

一、光的感性認識

1、光是一種微粒

我們都知道光是沿直線傳播的，十七世紀時，有人發現光有時候并不是沿直線傳播的。意大利人格里馬第首先觀察到光的衍射現象。接著，胡克也觀察到衍射現象，然而只有波才會出現衍射現象。

1672年牛頓完成了著名的三棱鏡色散試驗，并發現了牛頓環。他認為，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。在《關于光和色的新理論》這篇論文里他用微粒說闡述了光的顏色理論。

胡克和牛頓分別從各自的實驗中觀察并總結出了結論。胡克認為光是波，而牛頓認為光是粒子。關于光是波還是粒子的爭論就此拉開了序幕。

1678年惠更斯在《論光》一書中認為光是在“以太”中傳播的波。運用他的次波原理，不僅成功地解釋了反射、折射定律和方解石的雙折射現象，還解釋著名的“牛頓環”實驗。而且舉出了一個例子來反駁微粒說：如果光是由粒子組成的，那么在光的傳播過程中各粒子必然互相碰撞，這樣一定會導致光的傳播方向的改變。

就在惠更斯積極的宣傳波動學說的同時，牛頓的微粒學說也逐步的建立起來。牛頓修改和完善了他的光學著作《光學》。在《光學》一書中，牛頓一方面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，波動說無法解釋光的雙折射現象。另一方面，牛頓把他的物質微粒觀推廣到了整個自然界，并與他的質點力學體系融為一體，為微粒說找到了堅強的后盾。

1704年，《光學》正式公開發行，此時的惠更斯與胡克已相繼去世，波動說一方無人應戰。當時的牛頓已成為無人能及的科學巨匠，人們對他的理論頂禮膜拜。整個十八世紀，幾乎無人向微粒說挑戰。

這一時期人們對光的認識還處于感性的階段，在以牛頓為代表的微粒說占統治地位的同時，以惠更斯為代表的波動說也初步提出來了，為以后人們對光的進一步認識打下了基礎。

2、光是一種波

十八世紀末，英國著名物理學家托馬斯？楊開始對牛頓的光學理論產生了懷疑。1800年楊氏把光和聲音進行類比，因為二者在重疊后都有加強或減弱的現象，他認為光是一種彈性振動，并且是以縱波形式傳播的。同時指出光的不同顏色和聲的不同頻率是相似的。1801年，楊氏進行了著名的楊氏雙縫干涉實驗，實驗得到的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。他在《哲學會刊》的論文中，分別對“牛頓環”實驗和自己的實驗進行了解釋，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。1803年，楊氏根據光的干涉定律對光的衍射現象作了進一步的解釋。

1808年，拉普拉斯用微粒說分析了光的雙折射線現象，批駁了楊氏的波動說。1809年，馬呂斯在試驗中發現了光的偏振現象。在進一步研究光的簡單折射中的偏振時，他發現光在折射時是部分偏振的。因為惠更斯曾提出過光是一種縱波，而縱波不可能發生這樣的偏振，這一發現成為了反對波動說的有利證據。

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。

面對這種情況，楊氏對光學再次進行了深入的研究，1817年，他提出了光是一種橫波的假說，比較成功的解釋了光的偏振現象。吸收了一些牛頓派的看法之后，他又建立了新的波動說理論。

1817年，巴黎科學院懸賞征求關于光的干涉的最佳論文。菲涅耳也卷入了波動說與微粒說之間的紛爭，他在楊氏新的理論基礎之上開始了研究。1819年，菲涅耳成功的完成了對由兩個平面鏡所產生的相干光源進行的光的干涉實驗，繼楊氏干涉實驗之后再次證明了光的波動說。1819年底，在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。

1862年，傅科用旋轉平面鏡法首先測量出光在空氣中速度與光在水中速度之比接近于4：3，證實了光在介質（水）中速度小于光在空氣中的速度。這個實驗被認為是光微粒說和波動說著名的判決性實驗，它給了光微粒說最有力地否定。

1882年，德國天文學家夫瑯和費首次用光柵研究了光的衍射現象。在他之后，德國另一位物理學家施維爾德根據新的光波學說，對光通過光柵后的衍射現象進行了成功的解釋。

至此，新的波動學說牢固的建立起來了，微粒說開始轉向劣勢。

二、從光的感性認識上升到光的理性認識

1864—1865年間，麥克斯韋在《電磁場的動力理論》這篇著名的論文中，用數學方法確立了一整套描述電磁場性質的完整的方程組——克斯韋方程組。他從該方程組出發推導出變化的電場和變化的磁場構成統一的電磁場，交替產生且以橫波的形式由近及遠向空間傳播，形成電磁波，并且計算出電磁波的傳播速度等于光速。于是他大膽地推斷：光是一種波長極短的電磁波。

1886年，德國物理學家赫茲深入研究了電磁場理論，并進行了實驗研究，證實了電磁波的存在。1888年，他在《論空氣中的電磁波和它的的反射》論文中，確證了電磁波的速度等于光速。并且證明了電磁波和光波一樣，具有反射、折射、偏振等物理性質，且符合幾何光學的定律，從而完成了電波和光波的同一性的證明。赫茲的工作使人類對光本性認識上的又一次深化。麥克斯韋和赫茲關于光和電磁波統一的工作，使得光波動說又一次取得了令人信服的勝利。

三、對光認識的螺旋上升

19世紀末到20世紀初，光學的研究深入到光的發生、光和物質相互作用的微觀機制中。當人們利用光的電磁理論來解釋光和物質相互作用的某些現象，遇到了且所未有的困難。比如，黑體輻射中能量按波長分布的問題，以及1887年赫茲發現的光電效應。此時人們意識到對光本質的認識并不是完善的，需要對光的本質進再認識。

1900年，普朗克從物質的分子結構理論中借用不連續性的概念，提出了輻射的量子論。量子論不僅很自然地解釋了黑體輻射能量按波長分布的規律，而且以全新的方式提出了光與物質相互作用的整個問題。

1905年，愛因斯坦運用量子論解釋了光電效應。1921年，康普頓在試驗中證明了X射線的粒子性。后來人們也證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線具有波的性質。

四、小結

一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運動物體的光學現象確證了光是電磁波，使人們對光的認識由感性認識上升到了理性認識;而另一方面人們在光的電磁理論基礎上研究光與物質相互作用時遇到了困難，于是進行了再認識過程，熱輻射、光電效應等證明了光的微粒性。簡單的說光在傳播過程中表現出來的是波動性，在與物質相互作用時表現出來的是微粒性。也就是說光既有波動性又有微粒性，具有波粒二象性。最終光的波動說與微粒說之爭以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕，而對光的認識卻沒有停止。

參考文獻：

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