19世纪的光学

19世纪的光学光学是一门古老的科学，希腊时代欧几里得。

托勒密都对此做出过贡献。

到了17世纪，几何光学基本上得以确立。

几何光学关注光线传播的几何性质的研究，如光线传播的直线性，光线的反射、折射性质等。

由于制造光学仪器的需要，对光的折射性质的研究比较热门。

开普勒曾修正了托勒密关于入射角与折射角成正比的结论，并指出玻璃的折射角不会超过42度。

荷兰数学家斯涅尔（1591—1626）在大量实验的基础上于1621年得出折射定律：入射角与折射角的余割（正弦的倒数）之比为常数。

笛卡尔在1637年出版的《折光学》一书中提出了折射定律的现代形式，即人射角与折射角的正弦之比为常数。

后来，著名的法国数学家费尔马运用极值原理推出了光的反射定律和折射定律。

牛顿的分光实验以及牛顿环的发现，使光学由几何光学进人物理光学。

牛顿本人认为光本质上是运动的微粒，所以他不能正确地解释由他自己做出的伟大发现。

与牛顿同时代的惠更斯主张光是一种波动，由此展开了近两个世纪的光的本性之争。

19世纪的光学以波动说的复兴为先导，因此有必要先回顾一下微粒说与波动说之争论。

1．波动说与微粒说的对立近代几何光学的奠基者之一笛卡尔在光的本性方面的看法是不一贯的。

在谈到视觉问题时，他把光线比喻成脉冲波动，否认眼睛在看东西时有某种物质微粒进人。

可是，他在解释光的折射和反射时又运用物体的碰撞运动来进行比喻。

因此他在这个问题上的看法是不明朗的。

惠更斯最早比较明确地提出了光的波动说。

在《论光》（1690）一书中，他认为光的运动不是物质微粒的运动而是媒质的运动即波动，其理由是，光线交叉穿过而没有任何相互影响。

运用波动说，惠更斯很好地解释了光的反射、折射以及方解石的双折射现象。

不过，他的波动说并不完善。

他误认为光像声音一样也是纵波，所以在解释光的干涉、衍射和偏振现象时遇到困难。

牛顿倾向于微粒说。

在《光学》（1704）中，他陈述了波动说的几种不足。

第一，波动说不能很好地解释光的直线传播现象。

如果光是一种波动，它就应该有绕射现象，就像声音可以绕过障碍物而传播一样，但我们并没有观察到光有这种现象。

第二，波动说不能令人满意地解释方解石的双折射现象。

第三，波动说依赖于介质的存在，可是没有什么证据表明，天空中有这样的介质，因为从天体的运行看不出受到介质阻力的迹象。

基于这些理由，牛顿怀疑波动说，而提出光是一种微粒的看法。

不过，牛顿也不完全排斥波动思想。

比如，他就提出过光粒子可能在以大中激起周期性振动。

但这些思想被后人有意无意地忘记，牛顿成了坚持微粒说的一面旗帜。

部分由于惠更斯波动说的不完善性，部分由于牛顿的崇高威望，微粒说在整个18世纪占据主导地位。

但是，在折射问题的解释上，波动说和微粒说之间出现了一个判决性的实验。

微粒说认为，密介质中的光速大于疏介质中的光速，波动说则认为，密介质中的光速小于疏介质中的光速。

可是当时，在实验室中测定光速还不可能，这个判决性实验也起不了判决性作用。

2．波动说的复兴：托马斯·杨、菲涅尔19世纪的光学是由英国医生托马斯·杨以复兴波动说的论文揭开序幕的。

杨（1773—1829）生于英国的米斯维顿一个富裕的家庭。

据说他2岁就能读书，4岁已将《圣经》通读两遍，是一位十足的神童。

青年时代，他是一位多才多艺的人，会十几门外语，能演奏多种乐器。

他起先在爱丁堡大学学医，后在德国哥廷根大学取得了博士学位，1799年开始在伦敦开办诊所。

杨的光学研究始自对视觉器官的研究。

他第一个发现，眼球在注视距离不同的物体时改变形状。

1800年，杨发表了《关于光和声的实验和问题》一文，对延续了一个世纪的微粒说提出异议。

他说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是万无一失的。

我遗憾地看到他也会弄错。

而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。

”“在文章的光学部分，杨提出了否定微粒说的几个理由：第一，强光和弱光源所发出的光线有同样的速度，这用微粒说不好解释；第二，光线由一种介质进人另一种介质时，一部分被反射，而另一部分被折射，用微粒说解释也很牵强。

在文章的声学部分，杨依据水波的叠加现象，提出了声波的叠加理论。

他把由叠加造成的声音的加强和减弱称为“干涉”。

在声波干涉中，“拍”现象即叠加造成的声音时断时强的效果，引起了杨的特别注意。

他联想到，如果光是一种波动，也应该有干涉和拍现象，即两种光波叠加时，应该出现明暗相间的条纹。

1801年，杨向皇家学会宣读了关于薄片颜色的论文。

文中正式将干涉原理引人了光学之中，并且用这一原理解释薄片上的色彩和条纹面的衍射。

在这篇论文中，杨还系统提出了波动光学的基本原理，提出了光波长的概念，井给出了测定结果。

杨指出，正是由于光波长太短，以致遇障碍物拐弯能力不大，人们才很难观察到这类现象。

杨的论文在英国学界引起了敌视。

当然，他的论文在阐述实验方面不够明晰。

尽管他本人实际上做过十分精确的实验，但由于表述的问题使读者感到干涉理论只是一些没有实验根据的理论推测。

杨没有气馁，继续进行实验研究，于1803年发表《物理光学的实验和计算》，对双缝干涉现象进一步做出了解释。

在1807年出版的帕然哲学讲义》中，杨系统阐述了他提出的波动光学的基本原理。

1809年，法国物理学家马昌斯（1775—1812）发现了光在双折射时的偏振现象。

众所周知，纵波不可能出现偏振现象，这使杨新近复兴的波动说遇到了极大的困难。

微粒说的信奉者以此对波动说发起攻击。

杨于1811年给马吕斯写信说：“你的实验证明了我所采用的理论的不足，但是这些实验并没有证明它是错的。

”1817年，杨终于发现了摆脱这个麻烦的途径。

他在1月12日给法国物理学家阿拉果的信中说，光波不是一种纵波，而是一种横波，而偏振完全可以用横波加以解释。

几乎独立地提出光的波动学说的还有法国物理学家菲涅尔（1788—1827）。

与杨相反，他从小非常迟钝，身体也不好，后来由于刻苦努力成了一名工程师。

由于反对拿破仑，他曾被关进监狱一段时间。

1814年，他对光学开始感兴趣，次年便向科学院提交了第一篇光学论文。

文中仔细地研究了光的衍射现象，并提出了光的于涉原理。

菲涅尔的论文实验证据确凿，很快在法国物理学界获得支持。

本来信奉微粒说的阿拉果，在受命审查菲涅尔的论文之后，第一个改信波动说。

菲涅尔与阿拉果一起继续进行实验研究，于1819年证实了杨关于光是一种横波的主张。

菲涅尔在毫不了解杨的工作的基础上独立地提出了光的波动理论。

令人高兴的是，他与杨之间并未发生优先权之争。

当阿拉果将他的论文介绍给杨时，杨对此进行了高度的评价。

由于他们的齐心协力，微粒说一统学界的局面被打破。

在波动学说基础上的光学实验大量涌现，使19世纪在物理光学方面取得了重大的进展。

3．光速的测定：菲索、傅科1849年，法国物理学家菲索（1819一1896）利用转动齿轮方法，在实验室中测定了光的速度。

数值虽然不太精确，但毕竟是在实验室里测定光速的第一次创举。

此前的罗伊默和布拉德雷都是以天文观测为依据测量光速的。

1850年，另一位法国物理学家傅科（1819—1868）改进了菲索的方法，用旋转镜方法准确地测定了光速，从而发现密介质（水）中光的传播速度较小。

这就在实验上对微粒说和波动说之争做了一次支持波动说的判决。

傅科在实验物理学史上做的另一创举是发明了博科摆，直观地演示了地球的自转。

由于地球的周日自转，单摆的摆动面相对于地面是转动的。

齐曼托学院曾经也发现了这一现象，但没有意识到它正好是地球自转的证据。

4．光谱研究：夫琅和费、基尔霍夫光的波动说被确立以后，物理光学中最突出的成就是对光谱的研究。

牛顿的棱镜已将太阳光分解成各种不同颜色的光线，他将之解释成不同光线具有不同的折射率引起的。

现在人们又认识到不同的颜色其实对应于光的不同波长，不同波长的光的连续排列构成了所谓光谱。

事实上，所有的自然光都可以通过棱镜展示自己的光谱。

18世纪，有人即已注意到各种化学物质在燃烧时发出的光彼此不同，后来又发现不同物质所发出的光的光谱各有显著的特征。

1814年，德国物理学家夫琅和费（1787—1826）在测试新制造出的棱镜时，发现太阳光谱中有许多暗线。

在此之前，他在灯光光谱中发现了钠的谱线，因此，他也希望在太阳中发现这些特征谱线。

夫琅和费将太阳光谱记录下来，并将发现的暗线用字母标出。

这些暗线今天被称为夫琅和费线。

后来，他又多次观察月光和行星的反射光，发现其光谱与太阳光谱完全相同。

1821年，夫琅和费第一个用光栅（间隔很小的细丝）作为折射装置，使太阳光形成了一个更精细的光谱。

利用光栅，他试着测定了太阳谱线的波长。

夫琅和费的工作当时没有受到重视，当然他本人也不太明白太阳光谱线中暗线的意义。

1859年，德国物理学家基尔霍夫（1824—1887）解释了太阳光谱中暗线的含义。

他发现，每一种单纯的物质有一种特征光谱，光谱里面必有一条明亮的谱线正好表征该物质。

但是，如果在足够强的自然光下观察这个特征光谱，由于该光谱被同波长的物质所吸收，其明亮的特征谱线便变成了明显的暗线。

因此，太阳光谱中的夫琅和费暗线正好就是各种物质的特征谱线。

基尔霍夫因此断定，太阳中必存在钠、镁、铜、锌、镍等金属元素。

由基尔霍夫开创的光谱分析方法，对鉴别化学物质有着巨大的意义。

有许多化学元素，像铯（1860）、铷（1861）、铊（1862）、铟（1863）、镓（1875），都是通过光谱分析而发现的。

当天文学家将光谱分析方法应用于恒星宇宙时，马上就证明了宇宙之间物质构成的统一性。

据说，正当基尔霍夫从夫琅和费线中考察太阳里是否有金子时，他的管家不以为然地说，“如果不能将太阳上的金子取下来，关心它又有什么用？”后来，基尔霍夫因为他的伟大发现而被英国授予金质奖章，他将奖章拿给管家看，说：“你看，我不是已经从太阳上取了一点金子下来了吗？”光谱分析不仅开辟了天体物理学的广阔前景，而且也为深入原子世界打开了道路。

近代原子物理学正是从原子光谱的研究中开始的。

在19世纪光学以及光谱学的发展过程中，照相术的发明也值得一提。

它极大地丰富了现代人的日常生活情趣。

法国发明家涅普斯（1765—1833）和达盖尔（1789—1851）合作，于1839年造出了第一台实用照相机。

它通过一个透镜在暗室里成像，由一块涂有银盐的钢片固定像，图像中明亮的部分使银盐变黑，没有起变化的银盐则被硫化钠溶解掉，于是得到一个不太清晰的永久图像。

照相术一出现就引起了人们的极大兴趣。

物理学家和天文学家则很快将它用于光谱分析，使之成为天文观测和光学实验中的重要工具。

5．光学与电磁学的统一波动说的确立使光传播的载体问题变得突出。

按照水波和声波的类比，光波也应有它的传播媒介。

人们一般将这种看不见、摸不着的媒介称为光以太。

当杨和菲涅尔发现光是一种横波后，在光以太问题上遇到了困难。