光的本性认识的发展

光的本性认识的发展

光的本住问题是贯穿在光学发展中的一个根本问题。正是这种对光的本性的探讨有力地推动了光学以及整个物理学的发展。人们对光的本性的认识，从光是“物质的微粒流”，经历了光是“以太的振动”，光是电磁波到光是波粒二象性的统一等各个认识阶一段。这一认识历程从牛顿和惠更斯之争算起到现在其间经历了三百多年。人们遵循实验——假设——理论——实验这条途径，逐步达到了对光的本性的认识，这一认识揭示了物质世界光和电磁的统一，光的波动性和微粒性的统一。德国物理学家劳厄在谈到这一认识的重大意义时指出：“在这以前还是完全互不相依的光的理论和电动力学理论的这种自然的结合发展是作为物理知识的真理一性证明的一个最伟大的事件”。他在《物理学史》的导言中着重指出了研究两类不同的物理思想“它们不期而遇并且自然地相结合”的意义。他说：“凡是经历了这种令人极为惊奇的事件的人，即使是在很远的距离经历的，或者至少能在事后加以回顾的，都不会怀疑：这些相互结合的理论，即使不包含完全的真理，终究也包含了与人类的附加因素无关的客观真理的一种重要的核。否则，它们的结合只能理解为奇迹。物理学史的理想必须是把这样的事件尽可能明晰地刻画出来”。下面我们就来叙述人类对光的本性认识的发展过程。

（一）微粒说与波动说的思想渊源

关于对光的本性这一古老之谜的认识要追索到古希腊时代。古希腊杰出的原子论者德漠克利特（Democritus，公元前460～前370）最早提出光是物质微粒的观点。他认为视觉是由物体射出的微粒进入眼睛而引起的。古希腊的男一个原子论者伊壁鸠鲁（Epicurus，公元前341～前270）和古罗马的原子论者卢克来修（Lucretius，公元前99一前55）坚持这一学说。卢克来修说：“从任何我们看见的东西，必定永远有许多原初物体流出来，被发放出来；被散布到四周各处，这些物体撞击眼睛，引起了视觉。”量子论者的这一观点是后来把光看作某种物质实体的粒子说的萌芽。古希腊杰出的思想家亚里士多德（Aristotle，公元前384一前322）认为，视觉是在眼睛和可见物体之间的中间介质运动的结果。他认为这种中间介质有让光通过的可能性（潜在能力），即是透明的，光则把这种可能性变为现实。所以，没有中间介质就没有视觉。在这个理论中包含着后来的光的波动说的思想。

科学发展到了17世纪，法国哲学家、物理学家、数学家笛卡儿（Rene Descartes，1596～1650）提出了对光的本性的看法。英籍德国物理学家玻恩（Max Born，1882—1970）和美国物理学家沃耳夫（Emil．Wolf，1922一）在他们的《光学原理》的历史引言中说：“在新哲学的创立者当中，笛卡儿可以提出来说一说，因为他根据他的形而上学观念系统地述了关于光的本性的见解。笛卡儿认为，光在本质上是一种压力，在一种完全弹性的，充满一切空间的介质（以太）之中传递，他并且把颜色的差异归因于这个介质中粒子的不同速度的旋转运动。”笛卡儿对光的本性没有明确而统一的观点。他在他的著作《光的折射》中提出了一个比喻：光通过介质传入人眼，就象机械脉冲沿着手杖传入盲人的手和脑中一样，并没有某种物质性的东西传入眼睛使我们看到光和色。笛卡尔在这里强调了介质的影响和接触作用，认为光是以太介质中某种压力的传播过程，所以可以把他算作波动论者。

另一方面，笛卡儿又从光的微粒观念中推导出反射定律与折射定律。笛卡儿在《光的折射》中写道：“假设我们将球从A点击到B点，碰到地面CSE时，球因受阻而偏离原来的运动方向（图9－1）。它将往哪个方向偏？为了简化所研究的问题，我们假定：地面是平滑坚硬的，并且球在下落和弹跳时速度保持不变。我们不考虑球在离开球拍以后能够继续运动的原因，也不考虑球的重量、大小以及形状对运动方向会有什么影响。因为我们的目的并不是研究这些问题，而是研究光；并且上述因素对光都没有影响。”

接着笛卡儿开始了对平滑表面上光的反射的研究。他把球的速度分解为垂直分量及水平分量。当球碰到地面时，只是球速的垂直分量方向相反，大小不变。水平分量是不变的，由此很容易证明光的入射角等于它的反射角。

笛卡儿继续写道：“现在让我们来观察折射现象。首先假定球从A点被抛至B点，在B点碰到的不是地面，而是一块布CBE，它非常稀疏和不结实，将减慢球的速度。”

他仍然把速度分成垂直分盟及水平分量，垂直方向速度减小而水平分量不变图9－2。由此得

2211sin sin i i υυ=

即 2

121sin sin υυ=i i 对各向同性介质，1υ、2υ与光的传播方向无关。上式右端是一个与入射角无关的常数，它表明入射角的正弦与折射角的正弦之比是一个常数；这样便解释了折射定律。

但是实验表明当光从光疏介质（例如空气）进入光密介质《例如水》时，光折向界面法线即i 1＜i 2，按照上述公式则υ1＞υ2，从微粒论的观点看来，光在光密介质中的光速应当大于光在光疏介质中的光速。后来，实验证明这一结论是错误的，但这是在被卡儿以后200年的事了。当时他为自己的观点解释说：“……你也许会感到惊奇……但如果你还记得我所描述过的光的特性，你就不会为此而感到惊奇了。我曾说过，光只能设想为一种能填塞所一有其它微孔的很稀薄的物质的某些运动或作用。……所以，事情是这样的，透明体的细小部分越是坚硬，光的通过越是容易，因为光并不要使透明体的任何部分离开它们的位置，它不象球那样一必须排开部分水才能从过。”

（二）波动说与微粒说之争

英国物理学家、天文学家克在他1665年发表的《放大镜下微小物体的显微术或某些生理学的描述》（以下简称《显微术》一书中，明确主光是一种振动。同时他还以金刚石的坚硬特性，提出这种振动必定是短促的。在讨论了光的直线传播和光速是有限的之后，他写道：“在一种均匀介质中这一运动在各个方向都以相等的速度传播。所以发光体的每一个脉动或振动都必将形成一个球面。这个球面将不断地增大，就如同把一石块投入水中后在水面一点周围的环状波膨胀为越来越大的圆圈一样（尽管肯定要快得多）。由此可知，在均匀介质中扰动起来的这些球面的一切部分与射线交成直角。”可见，克实际上已接触到波前或波面的概念。

克还研究了薄膜的彩色。他在《显微术》中记载了这样的现象：厚云母片是无色的，但将它揭成薄片时却呈现出了象虹一样美丽的颜色；他还发现，在反射面上盖上一层具有不同折射作用的透明薄膜时，也会产生彩色现象。他对薄膜的这一光学现象提出了解释，他认为这是由于直接从前表面反射的光和经过折射从后表面反射的光相互作用而形成的。克提出：“一束最弱的成分领先而最强的成分随后的光脉冲的混合，在网膜上引起蓝色的印象，一束最强的成分领失而最弱的成分随后的光脉冲的混合。则引起红色的印象。其他的颜色印象都可以由两种成分的先后排列情况作出解释。”克的这种解释是不正确的。他认识到了这一现象与两薄膜的厚度有关，但是他还没有建立相位差的概念，对千涉现象不能作出正确的解释。 经典物理学的奠基者牛顿基本上是主微粒说。他根据光的直线传播性质，提出光是微粒流的理论。他认为这些微粒从光源飞．出来，在真空式均匀物质由于惯性而作匀速直线运动。早在1672年2月6日牛顿送交英国皇家学会的一封信“关于光和色的新理论”中，就提出了光的微粒说，认为光线可能是由球形的物体所组成，并用这种观念解释了光的直线传播和光的反射折射定律。

克和牛顿争论时，提出不少问题；特别是微粒说所不能解释的一些事情。为了回答克提出的问题，牛顿又进一步研究，想办法如何来完善自己的假说和理论。他认为他的光的粒子结构理论是正确的，但他也没有绝对肯定这个结论，而只能用“可能”两个字来表示。1675年12月9日，牛顿在送交皇家学会的一篇论文《涉及光和色的理论的假说》中，提出了一个把光的微粒和以太的振动相结合的新假说。他写道：“以太的振动在这一假说和那一假说中都是一样有用的和不可缺的。因为假定光线是从发光物质向各方面发射出去的小的微粒的话，那末当它们碰到任何一种拆射或反射表面时，就必然要在以太中引起振动，正象石块被投到水中要引起振动一样。我还假定，这些振动将按照激发它们的上述颗粒性光线的大小和速度不同而有不同的深度和厚度。”

除此之外，牛顿在1675年12月21日写给奥尔登堡（Henry Dldenburg ，当时皇家学会的秘书）的信中谈到他和克看法不同之处。牛顿认为，“除了假定以太是一种能振动的介质以外，我和他没有什么共同之点。然而我对这个假定有和他很不相同的看法：他认为能振动的以太就是光本身，而我则认为它不是；