从人们对光的认识看科学问题的本质

我们知道，问题是科学研究的灵魂，

贯穿于科学研究的整个过程。所以，没有

问题，就没有科学研究。我们探讨科学问

题的本质，就是希望从理论上把握问题的

特征，为我们进一步发现和提出科学问题

打下坚实的理论基础。

毛泽东指出：“问题就是事物的矛盾，

哪里有没有解放的矛盾，哪里就有问题。”

［１］问题就是矛盾道出了问题的本质，科学

问题也不例外。英国科学哲学家波普也认

为“问题就是矛盾，就是不一致。”［２］

不仅如此，波普还把矛盾看做是科学问题

产生的源泉，他认为：没有矛盾，没有批

判，也就不会有问题的产生，就没有改变

我们的理性动力，也就不会有理智的发

展。批判必须要指出矛盾，不论是被批判

理论中的矛盾，理论与其他理论之间的矛

盾，或者理论与确定事实之间的矛盾，确

切些说是理论与一定的事实陈述之间的矛

盾。矛盾在思想发展中是重要的，它就像

批判一样重要。波普的论述，不仅强调了

问题的本质就是矛盾，也给我们指出科学

问题矛盾本质的表现形式，具体来说，科

学问题是通过以下方式来体现自己的矛盾

本质的：

一、事实与事实之间的矛盾

我们知道，科学事实的表现形式虽然

是主观的，但它所包含的内容却是客观

的，也就是说它们都是客观存在的，但这

种客观存在反映到我们头脑中，就产生了

矛盾。

例如人们对光的认识就是这样。在长

期的生活中发现，光是沿着直线前进的；

光会反射、折射、透射。但是１６５５年，意

大利波仑亚大学的数学教授格里马第首先

发现了光的衍射现象。据此他推想光可能

是与水波类似的一种流体。这与人们日常

中见到的关于光直线传播的经验产生了矛

盾，这样，光的反射、折射现象和光的衍

射现象产生了矛盾。

一般来说，只要是事实，尤其是经

过科学整理和鉴定的科学事实，它们都是

客观的，是没有问题的，但只要我们把它

们联系起来考察的话就产生了问题，而这

种问题往往是因为支配我们头脑的理论的

缺失或缺陷造成的。也就是说，事实与事

实之间矛盾的背后，就是支配科学家行为

的背景理论知识，如何对待这些矛盾呢，

不同的科学家采取了不同的策略。

二、事实与理论之间的矛盾

任何科学问题，都是在一定背景知识

下提出的，而作为背景知识的科学理论有

它的局限性，当发现了理论不能解释的新

现象时，它就面临诘难和挑战。

１６７２年，伟大的牛顿在他的论文《关

于光和色的新理论》中初步建立了光的

“微粒说”，令人满意地说明了光的直进、

反射和折射现象。但是却不能解释当时人

们发现的“干涉现象”和“双折射现象”。

与牛顿同时代的荷兰著名天文学家、

物理学家和数学家惠更斯认为，光是一种

机械波；光波是一种靠物质载体来传播的

纵向波，传播它的物质载体是“以太”。根

据这一理论，惠更斯证明了光的反射定律

和折射定律，也比较好地解释了微粒说所

不能解释的光的衍射、双折射现象和著名

的“牛顿环”实验。但是光如果是一种波，

它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会

产生影子；冰洲石的双折射现象说明光在

不同的边上有不同的性质，波动说无法解

释其原因。

因此从１７世纪科学认识所能达到的

高度看，无论是牛顿的微粒说还是惠更斯

的波动说都只能解释部分光学现象，他们

提出的理论都与部分事实相矛盾，当时的

科学家没有从这种理论与事实的矛盾中汲

取创新的动力和思路，而是做出了要么牛

顿是对的，要么惠更斯是对的选择。由于

牛顿对科学界所做出的巨大贡献，加上惠

更斯和胡克的去世，波动说后继无人，整从人们对光的认识看科学问题的本质

单天明

中国医科大学社科部 １１０００１

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８９７２．２０１１．１．００６

个十八世纪，几乎无人向微粒说挑战，也很少再有人对光的本性作进一步的研究。

三、理论与理论之间的矛盾

十八世纪末，在德国自然哲学思潮

的影响下，人们的思想逐渐解放。英国著

名物理学家托马斯・杨开始对牛顿的光学

理论产生了怀疑。有了怀疑，就有了批判，

有了怀疑和批判，科学就获得了发展和进

步的动力，于是关于光的波动说和微粒说的斗争在沉寂了近１００年后，重新焕发了

生机。

１）双缝干涉实验使波动说焕发生机

杨氏于１８００年写成了论文《关于光和

声的实验和问题》。在这篇论文中，杨氏把

光和声进行类比，因为二者在重叠后都有

加强或减弱的现象，他认为光是在以太流

中传播的弹性振动，并指出光是以纵波形

式传播的。在经过百年的沉默之后，波动

学说终于重新发出了它的呐喊；１８０１年，杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验，从

而证明了光是一种波。光学界沉闷的空气

再度活跃起来。

２）光的偏振现象使微粒说起死回生

１８０９年，马吕斯在试验中发现了光的

偏振现象。在进一步研究光的简单折射中

的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振

的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证据。１８１１年，布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展。３）电磁理论使波动说完美大成１８６５年，英国物理学家麦克斯韦建立起完整的电磁理论。他发展了光的波动说，用光的电磁理论代替光的机械波理论，指出光也是电磁波。这样，就为光现象建立了全面、完整、严谨的理论。１８８７年，赫兹通过实验探测到了电磁波，出色地证实了麦克斯韦理论的正确性，此后光的波动说居于绝对的统治地位。４）光电效应使微粒说重获新生同样在１８８７年，赫兹在证实电磁波的同时，发现光电效应，此后科学家又发现了热辐射、光谱、康普顿效应等现象，在解释这些现象时，波动说遇到了困难，而微粒说却能较好地解释这些现象。在这场物理学革命中，普朗克首先用能量子假说解释了黑体辐射实验，之后，爱因斯坦用光量子理论成功解释了光电效应，接着波尔用光的量子论解释了原子光谱。一系列量子理论的杰出表现，意味着过去被彻底推翻了的牛顿微粒说开始复活，而光的波动说却暂时退到了后台。５）波粒二象性光的完美统一１９０９年，爱因斯坦在出席德国自然科学家协会第８１次会议时，作了题为《论我们关于辐射本质和结构的观点的发

展》的报告，其中提到“我认为，理论物理学发展的最近一个阶段，将给我们提供一种光的理论，这一理论可以被理解为波动理论和微粒说的一种统一”。爱因斯坦明确提出了光不但有波动性，也有粒子性。这就是光的本性——波粒二象性。光在传播时显示波动性，在与物质相互作用而转移能量时显示粒子性，两者不会同时出现。到这个时候，波动说和微粒说总算画上完美的句号。但是，受到波粒二象性

的争论的影响，德布罗意提出了物质波，之后经过海森堡、薛定谔、波恩和狄拉克等人的开创性工作，终于在１９２６年形成完整的量子力学理论，由此引发了一系列划时代的科学发现与技术发明，对人类社会的进步和发展做出了非常重要的贡献。四、科学问题的矛盾性通过以上的分析，我们可以清楚地看到科学研究的过程就是发现问题、分析问题和解决问题的过程，其实质就是发现矛盾、分析矛盾和解决矛盾的过程，而在具体的科学研究过程中，主要是通过事实与事实之间的矛盾、事实与理论之间的矛盾以及理论与理论之间的矛盾表现出来。在关于光的研究中，正是这些矛盾推动人们

关于光学认识的发展和进步，从光学的发展史中，我们可以清楚地看到这点，无论是波动说还是微粒说，每一次诘难、批判，对它们来说，都是一次机遇，都有一次发展。所以在科学研究中，我们要从被动地承认矛盾、无奈地接受矛盾的过程中解放出来，转变为主动地去发现矛盾、积极地去解决矛盾的探索过程。最后，问题的本质就是矛盾，而矛

盾是不可穷尽的，所以问题是层出不穷的。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我更接近‘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。对于光量子我们至少还可以提出这样的问题：光量

子究竟还有没有内部结构？光子还能不能再分？光子到底有没有静止质量？科学迫使我们创造新的观念和新的理论，它们的任务是拆除那些常常阻碍科学向前发展的矛盾之墙，所有重要的科学观念都是在现实与我们的理解之间发生剧烈冲突时诞生的，这里又是一个需要有新的原理才能求

解的问题”。［３］

爱因斯坦的这段话也深刻地揭示了科学发展和进步的否定之否定的曲折过程。因此我们要时刻牢记，问题就是矛盾，矛盾就是机遇。