淺談光的本性認知發(fā)展歷程

師家慶

摘要：自然科學的發(fā)展是人類不斷揭露矛盾和克服矛盾的過程。它的不少規(guī)律和理論是直接從生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的，但也有很多的理論是在科學技術(shù)發(fā)展前提下對眾多的科學假說進行證實或者部分證實的產(chǎn)物，這一產(chǎn)物本身其實也不是完美的，而是一個新的、有質(zhì)的飛躍的一個新的假說。其中，光學中對于光的本性——波粒二象性的描述就是很典型的例子。

關(guān)鍵詞：理論;科學假說;光學;波粒二象性

一、光學的早期發(fā)展

光學是一門古老而又年輕的學科。中國的《墨經(jīng)》、希臘的《光學》等書中，均對光的一些規(guī)律進行了描述。從這時候開始，一直到15世紀末16世紀初是光學發(fā)展的萌芽時期。在這一階段，所有光學的研究均未涉及光的本性。

二、光的微粒說

17世紀中葉，人類開始對光的本質(zhì)進行探討。

人們在光的反射、折射等理論的基礎(chǔ)上，提出了光的微粒說。最早由笛卡爾提出。在力學、數(shù)學、天文學的發(fā)展中作出巨大貢獻的牛頓發(fā)展了該模型，提出了光的微粒理論并著手通過實驗來驗證自己的假說。然而，在他的很多實驗中，結(jié)論指向了波動性，如牛頓環(huán)實驗等。由此使得牛頓在光的本性問題上猶豫了很久。微粒說可以很好地解釋光的直線傳播、反射、折射定律，但對于干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象的解釋相當勉強，以致牛頓不得不在微粒說中添加了“振動”的因素，認為光微粒在傳播途中會受到媒質(zhì)振動的影響，從而使得光的微粒說能夠站住腳。由于牛頓在自然科學界的巨大聲望，使得微粒說在整個18世紀占統(tǒng)治地位。

三、光的波動說

1655年，意大利數(shù)學教授格里馬第觀測放在光束中的小棍子的影子時，發(fā)現(xiàn)了影子的寬度和直線傳播前提下影子的寬度是有差距的。據(jù)此他推想光可能是與水波類似的一種流體。

格里馬第設(shè)計了一個實驗：讓一束光穿過小孔后照到暗室里的一個屏幕上。他發(fā)現(xiàn)光線通過小孔后的光影明顯變寬了。格里馬第進一步實驗，他讓一束光穿過兩個小孔后照到暗室里的屏幕，這時得到了明暗條紋。他認為這種現(xiàn)象與水波十分相像，從而得出結(jié)論：光是一種能夠作波浪式運動的流體。格里馬第第一個提出了“光的衍射”這一概念，是光的波動學說最早的倡導者。1663年，英國科學家波義耳提出了物體的顏色不是物體本身的性質(zhì)，而是光照射在物體上產(chǎn)生的效果。他第一次記載了肥皂泡和玻璃球中的彩色條紋。這一發(fā)現(xiàn)與格里馬第的說法有不謀而合之處，為后來的研究奠定了基礎(chǔ)。

之后，荷蘭物理學家惠更斯在“以太”的假想和前人研究的基礎(chǔ)上提出了光的波動說。“以太”是一種假想介質(zhì)，充斥著整個宇宙空間，光的傳播速度取決于“以太”的彈性和密度。

惠更斯的波動學說認為，光是“以太”的波動。通過與機械波類比，波動說很容易定性地說明干涉和衍射現(xiàn)象：如果加上惠更斯所作的“子波假設(shè)”，它也能定量地解釋反射定律和折射定律。

19世紀，楊氏實驗對光的本性的認知發(fā)展產(chǎn)生了極大推動。楊氏用干涉原理成功地解釋了雙縫干涉實驗及薄膜的彩色條紋。法國的菲涅爾使用數(shù)學工具，將惠更斯的子波假設(shè)和楊氏的干涉原理相結(jié)合，提出后人所謂的“惠更斯---菲涅爾原理”。即：波前上每一個點都可看做是次波中心，光場中某一點的擾動是包圍光源的任一閉曲面波前上所有點發(fā)出的次波在該點的相干疊加。該原理用波動理論完美地解釋了光的直線傳播規(guī)律。

當時，微粒說的支持者泊松根據(jù)該理論導出圓屏的陰影中央將出現(xiàn)亮斑的結(jié)論，他認為這個結(jié)論是荒謬的，試圖以此否定波動說。然而，之后不久很快就有人用實驗證明該亮斑確實存在，使得菲涅爾理論獲得了意外的強力支持。至此，波動說終于占據(jù)了光的本性的上風。

19世紀60年代初期，英國麥克斯韋在總結(jié)別人對電磁現(xiàn)象的研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，得出了著名的麥克斯韋方程組。麥克斯韋預(yù)言出電磁波的存在，并且計算出電磁波在真空中的傳播速度與光速極為接近。為此，麥克斯韋進一步預(yù)言光是一種電磁波動。不過在麥克斯韋的預(yù)言中仍然假定光波是通過“以太”傳播的。

然而，波動說存在著一個很大的缺陷就是“以太”的假設(shè)。

為了解釋各種光現(xiàn)象，人們被迫賦予“以太”許多奇特的性質(zhì)。如：“以太”應(yīng)該滲入到一切透光物質(zhì)中去，不阻礙物體的運動。這些性質(zhì)類似于氣體的性質(zhì)。但偏振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使人們又不得不給它加上類似于固體的性質(zhì)。更重要的是菲涅爾的“曳引系數(shù)”假定可以得出“以太”應(yīng)該被運動媒質(zhì)部分地帶動。但后期邁克爾遜-莫雷實驗卻導出了完全相反的結(jié)果：不能覺察任何地球和以太之間的相對運動。

四、光的波粒二象性

光究竟是粒子還是波呢？

20世紀初，物理學界相繼出現(xiàn)了相對論、量子力學理論。正是這些理論，決定了人們對光的本性的新的認識。

1900年，普朗克提出了“量子化”，認為物體的輻射必然是某一單元能量的整數(shù)倍，單元能量的數(shù)值正比于所發(fā)射光波的頻率。1905年，愛因斯坦提出了“光子”的概念。他認為物體的發(fā)光、光在傳播、與物質(zhì)作用時均是量子化的。光電效應(yīng)方程對光電效應(yīng)的解釋、康普頓效應(yīng)等很好地解釋了這一點。光的“微粒說”似乎又復活了，但此時的“微粒”和牛頓的“微粒”已全然不同。最終，在薛定鄂、海森伯、狄拉克和玻恩等人建立量子力學之后，光的粒子性與波動性被統(tǒng)一起來，確立了光的波粒二象性。

結(jié)束語

整個光的本性的研究是從原始樸素的微粒說—經(jīng)典力學下的波動說—光子說和波粒二象性，經(jīng)歷了肯定——否定——否定之否定的過程，這一過程是在其他背景知識不斷發(fā)展的前提下，沿著假說—理論—新假說—新理論……的途徑，不斷地向前發(fā)展的。當然，現(xiàn)在光的波粒二象性在目前相對論和量子力學的基礎(chǔ)上是成立的，但是隨著自然科學的發(fā)展，很有可能被再次推翻。我們不必因此而誠惶誠恐，因為這是我們對自然世界認知的一個質(zhì)的飛躍。