浅谈光的本性认知发展历程

浅谈光的本性认知发展历程

作者：师家庆

来源：《文存阅刊》2020年第14期

摘要：自然科学的发展是人类不断揭露矛盾和克服矛盾的过程。它的不少规律和理论是直接从生产实践中总结出来的，但也有很多的理论是在科学技术发展前提下对众多的科学假说进行证实或者部分证实的产物，这一产物本身其实也不是完美的，而是一个新的、有质的飞跃的一个新的假说。其中，光学中对于光的本性——波粒二象性的描述就是很典型的例子。

关键词：理论;科学假说;光学;波粒二象性

一、光学的早期发展

光学是一门古老而又年轻的学科。中国的《墨经》、希腊的《光学》等书中，均对光的一些规律进行了描述。从这时候开始，一直到15世纪末16世纪初是光学发展的萌芽时期。在这一阶段，所有光学的研究均未涉及光的本性。

二、光的微粒说

17世纪中叶，人类开始对光的本质进行探讨。

人们在光的反射、折射等理论的基础上，提出了光的微粒说。最早由笛卡尔提出。在力学、数学、天文学的发展中作出巨大贡献的牛顿发展了该模型，提出了光的微粒理论并着手通过实验来验证自己的假说。然而，在他的很多实验中，结论指向了波动性，如牛顿环实验等。由此使得牛顿在光的本性问题上犹豫了很久。微粒说可以很好地解释光的直线传播、反射、折射定律，但对于干涉、衍射、偏振等现象的解释相当勉强，以致牛顿不得不在微粒说中添加了“振动”的因素，认为光微粒在传播途中会受到媒质振动的影响，从而使得光的微粒说能够站住脚。由于牛顿在自然科学界的巨大声望，使得微粒说在整个18世纪占统治地位。

三、光的波动说

1655年，意大利数学教授格里马第观测放在光束中的小棍子的影子时，发现了影子的宽度和直线传播前提下影子的宽度是有差距的。据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。

格里马第设计了一个实验：让一束光穿过小孔后照到暗室里的一个屏幕上。他发现光线通过小孔后的光影明显变宽了。格里马第进一步实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕，这时得到了明暗条纹。他认为这种现象与水波十分相像，從而得出结论：光是一种能够作波浪式运动的流体。格里马第第一个提出了“光的衍射”这一概念，是光的波动学说最早的倡

导者。1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果。他第一次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹。这一发现与格里马第的说法有不谋而合之处，为后来的研究奠定了基础。

之后，荷兰物理学家惠更斯在“以太”的假想和前人研究的基础上提出了光的波动说。“以太”是一种假想介质，充斥着整个宇宙空间，光的传播速度取决于“以太”的弹性和密度。

惠更斯的波动学说认为，光是“以太”的波动。通过与机械波类比，波动说很容易定性地说明干涉和衍射现象：如果加上惠更斯所作的“子波假设”，它也能定量地解释反射定律和折射定律。

19世纪，杨氏实验对光的本性的认知发展产生了极大推动。杨氏用干涉原理成功地解释了双缝干涉实验及薄膜的彩色条纹。法国的菲涅尔使用数学工具，将惠更斯的子波假设和杨氏的干涉原理相结合，提出后人所谓的“惠更斯---菲涅尔原理”。即：波前上每一个点都可看做是次波中心，光场中某一点的扰动是包围光源的任一闭曲面波前上所有点发出的次波在该点的相干叠加。该原理用波动理论完美地解释了光的直线传播规律。

当时，微粒说的支持者泊松根据该理论导出圆屏的阴影中央将出现亮斑的结论，他认为这个结论是荒谬的，试图以此否定波动说。然而，之后不久很快就有人用实验证明该亮斑确实存在，使得菲涅尔理论获得了意外的强力支持。至此，波动说终于占据了光的本性的上风。

19世纪60年代初期，英国麦克斯韦在总结别人对电磁现象的研究结果的基础上，得出了著名的麦克斯韦方程组。麦克斯韦预言出电磁波的存在，并且计算出电磁波在真空中的传播速度与光速极为接近。为此，麦克斯韦进一步预言光是一种电磁波动。不过在麦克斯韦的预言中仍然假定光波是通过“以太”传播的。

然而，波动说存在着一个很大的缺陷就是“以太”的假设。

为了解释各种光现象，人们被迫赋予“以太”许多奇特的性质。如：“以太”应该渗入到一切透光物质中去，不阻碍物体的运动。这些性质类似于气体的性质。但偏振现象的发现，使人们又不得不给它加上类似于固体的性质。更重要的是菲涅尔的“曳引系数”假定可以得出“以太”应该被运动媒质部分地带动。但后期迈克尔逊-莫雷实验却导出了完全相反的结果：不能觉察任何地球和以太之间的相对运动。

四、光的波粒二象性

光究竟是粒子还是波呢？

20世纪初，物理学界相继出现了相对论、量子力学理论。正是这些理论，决定了人们对光的本性的新的认识。

1900年，普朗克提出了“量子化”，认为物体的辐射必然是某一单元能量的整数倍，单元能量的数值正比于所发射光波的频率。1905年，爱因斯坦提出了“光子”的概念。他认为物体的发光、光在传播、与物质作用时均是量子化的。光电效应方程对光电效应的解释、康普顿效应等很好地解释了这一点。光的“微粒说”似乎又复活了，但此时的“微粒”和牛顿的“微粒”已全然不同。最终，在薛定鄂、海森伯、狄拉克和玻恩等人建立量子力学之后，光的粒子性与波动性被统一起来，确立了光的波粒二象性。

结束语

整个光的本性的研究是从原始朴素的微粒说—经典力学下的波动说—光子说和波粒二象性，经历了肯定——否定——否定之否定的过程，这一过程是在其他背景知识不断发展的前提下，沿着假说—理论—新假说—新理论……的途径，不断地向前发展的。当然，现在光的波粒二象性在目前相对论和量子力学的基础上是成立的，但是随着自然科学的发展，很有可能被再次推翻。我们不必因此而诚惶诚恐，因为这是我们对自然世界认知的一个质的飞跃。