光本性的认识

人类对光本性的认识

刘凡

班级：10310901 学号:20092263

摘要：浅显地讨论和分析光的本质

关键词：波动性，粒子性，波粒二象性，量子论

在《大学物理》波动光学的引言中，对光是这样描述的：“人类对光的认识始终贯穿着“光的本性是什么？”这一根本性的问题。17世纪，牛顿(Newton)认为光是一股微粒流，沿直线传播，它可以说明光的反射和折射。与此同时，惠更斯(Ch. Huygens)提出了光是一种波动。他认为，光是机械振动在“以太（ether）”这种特殊介质中传播。直到19世纪初，人们观察到了许多光的干涉、衍射和偏振现象，这些事实为“光是一种电磁波”提供有力的依据。然而在19世纪末到二十世纪初。人们对黑体辐射和光电效应等实验规律的研究，又证明了光的量子性，既具有波粒二象性。

首先，先谈一谈对光本性认识的意义：光学是人类较早用来认识和改造自然界的科学之一，在激光问世之后，光学这门古老的学科有了迅速的发展。不仅丰富了原有传统学科分支=技术光学、薄膜光学的内容外，还形成了许多新的学科分支，如非线性光学，导波光学、强光光学、全息光学，激光光谱学等。使得对波动现象的研究范畴由不相干到相干, 从线性到非线性, 从稳态到非稳态，从有序到混沌、从纯态到压缩态, 学科知识更加丰富及深化。而上世纪初诞生的量子论和相对论是对光本性讨论的直接结果。继续讨论已经而且必将加深对这两个伟大理论的理解和导致新的发展。我们期望两个理论带来的困惑包括光本性在内的光与物质统一性研究能够带来物理学基础的改革。

其次，先总结一下历史上关于“光的波动说”和“微粒说”对应的著名实验。关于波动说，荷兰物理学家惠更斯（Christian Huygens）于1690年提出了一条描述波传播特性的重要原理：在波的传播过程中，波前上的每一点都可以看作是发射子波的波源，其后任意时刻，这些子波的包迹就是新的波面，也就是惠更斯原理。它成功解释了当时已知的大多数光学现象，建立了惠更斯原理。他在此基础上推导出光的反射和折射定律，圆满地解释了光速在光密介质中减小的原因。惠更斯用光波既通过以太微粒、又通过晶体物质微粒传播的假设,非常圆满地解释了光穿过冰洲石所产生的双折射现象。但是惠更斯虽然巧妙地用声波来类比,但是他错误地认为光波是纵波,这被微粒说的支持者用光的偏振现象予以驳斥。其后，同处一个时代牛顿却利用“太阳光在三棱镜下的散射成各种颜色的光”的实

验在人们心中产生了重要影响，牛顿利用微粒说成功解释了光的折射、反射和色散现象，不过,公正地说，牛顿并不是微粒说的毫无保留的坚持者和波动说的偏执的反对者。大约一百年后，波动说又开始复兴。托马斯·杨( T. Young) 的“双缝干涉实验”为波动光学的复兴做出了不可磨灭的贡献。他还说过这样一句名言：“尽管我仰慕牛顿的大名,但我并不因此非得认为他是百无一失的。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。同时，1814年，菲涅尔的“单缝衍射实验”更是将“波动说推到极致”，因此，他因为“滑稽的泊松亮斑”获得了诺贝尔奖。到了19世纪60年代,英国物理学家麦克斯韦(J . C. Maxwell) 建立起完整的电磁理论。他发展了光的波动说,用光的电磁波理论代替光的机械波理论。这时波动说的最后一个难题—“传播媒问题”也被解决了。在麦克斯韦以后的一个时期,光的波动说可以圆满地解释光的一切传播现象,光的波动说达到了全盛时期。之后七年，德国人赫兹(Hertz) 在1888年测到电磁波,宣告光的波动说进入了全盛时期,否定了光的微粒说,可正是他发现的光电效应又导致了微粒说的复活。,1905 年爱因斯坦提出了光量子说。尽管爱因斯坦用光子理论完美地阐明了光电效应,但这个理论一提出来,立即遭到几乎所物理学家的反对。幸运的是,不久以后,密立根意外地证实了爱因斯坦光电效应方程的正确性,1923 年公布的康普顿实验结果强有力地表明了光量子图景的实在性。光的波粒二象性现象告诉我们,从宏观现象中总结出来的经典理论,对微观粒子不再适用。宏观概念中波和粒子是完全对立的,而光波不是宏观概念中的波,光子也不是宏观概念中的实物粒子。所以,光的波动性和粒子性是辩正统一的。后来爱因斯坦在1951 年曾这样总结他的探索:“整整50年有意识的思考还没有使更接近‘光量子是什么’的答案,当然今天每一个不老实的人认为他知道答案,但他是在欺骗他自己。”所以对于光量子至少还可以提出“它是什么”，“它有什么内部结构”，“光子有没有静止质量”......一系列问题。这些问题需要进一步探索，我想信对光的本性一定有更多的发展。

最后我们验证一下光是一种电磁波的正确性。由经典电动力学, 空腔中角

频率为W的光场(电磁场) , 其能量可表示为E=（1

2p2+1

2

ω2q2）（1）

q和p分别为广义坐标和广义动量, 下标l 、m 和n 为光场振动模的指标。对一维

简谐振子的哈密顿量H=1

2p2+1

2

ω2q2（2）

通过引入生成函数K=1

2

ωq2tan Q，（3）

作正则变换得：q=2a

w

sin Q（4）p=2aωcos Q（5）

H=a.ω (6)

这里,Q 和a 分别为新的广义坐标和广义动量。考虑一个力学体系,它含有大量的简谐振子,这些振子具有相同的频率ω,但位相Q和振幅(或a)是随机的,q

、p 、Q 和a 视为随机变量，因此我们可以认为Q 服从[0,2π]上均匀分布。令V =sin Q ，W =cos Q ，从（4）和（5）可导出随机变量方程p =wq = 2awV 设ρq ( q) 为振子广义坐标q 的密度函数,它满足下列条件

ρ q ≥0， ρ q dq =1， lim |q|→∞ρ q =0 , q 2ρ q dq <0+∞−∞+∞−∞ 再引入波函数Ψq ，使得 Ψ q 2=ρ q ,再作傅里叶变换，做一复杂方程（略）， 泛函I 的最小值函数即是我们所需要的解。由变分法,我们得到如下欧拉方程−β22d 2Ψ q

dq +w 2q 22Ψ q −γΨ q =0，这里γ=λ2λ1，,β2=1

λ1。Λ1和λ2和是两个拉格朗日乘子。由(11)并注意Ψ(q)与ρq(q)的关系,我们可以求得本征值：γn = 2n +1 β2ω，n =0,1,2…,这里β>0, 由狭义相对论及上式,我们易导出电

磁场振动模的动量平均值：p n = 2n +1 H 2π2K,n =0,1,2…

两个相邻动量平均值之差为:P=hK/2π。这也与通常所说的光量子的动量是一 样的。这样, 我们就直接从经典电磁场理论导出光场能量、动量量子化的结果。用我们的理论能够解释光电效应,康普顿效应和黑体辐射光谱。

我相信经过科学的进一步探索，能够更深刻地发掘光的本质，尽管就现在而言，光的波粒二象性是一个比较具有说服力的观点，但并不是完美无缺的，所以，我很期待另一个“阿尔伯特.爱因斯坦”能够带来一次光学新的改革，我们能更好的认识这个世界。

注:从“傅里叶变换”到“电磁场振动模量”的推论是借用佘卫龙教授的“光本性理论研究新进展”论文

参考书目：《光本性理论研究新进展》 佘卫龙

《殊途同归的光本性之争》 闫晓星 王洪鹏

《大学物理》 苟秉聪 胡海云