对光本质认识不断深入的启示

第21卷　第5期 运城学院学报V ol.21　No.5 2003年10月　Journal of Yuncheng University Oct.2003

对光本质认识不断深入的启示

高润梅①

(太原市教育学院物理系,山西太原030001)

摘　要:回顾光学发展的历程,不同时代对光本质的认识都有它的时代局限性。从几何光学时代、波动展示光本质的不断深入的认识过程,从中获得有益的启示:敢于争论、善于挑战、勇于创新。

关键词:光本质;挑战;创新

中图分类号:O431　文献标识码:A 文章编号:1008-8008(2003)05-0021-02

人类认识自然的历史经历了由简单到复杂,由低级到高级,由部分到全面的过程。人们对光的认识过程同样如此。从有人类文明到今天,人们对光不断观察、研究,由现象到本质。光的本质越来越清楚。其认识过程经历了以下几个时代。而今,光学作为一门既古老又现代的学科,已经渗透到科学技术的方方面面。回顾光学的发展史、对光本质的不断再认识,对今天的科学发展和科学教育会产生一些有益的启示。

1.　不同时代对光本质的认识

1.1　前几何光学时代

光学是一门古老的学科,早在我国春秋战国时期,《墨经》就记载了光影的形成和针孔成象、光的镜面反射等现象。在希腊欧几里德所著的《光学》中,提出了光的反射定律。从此开始了漫长的两千多年的光学萌芽时期,在这个阶段,人们逐渐认识到光的直线传播、反射和折射等现象,了解到光线来自于物体,光以球面形式从光源发出,发明了凸透镜,了解了凹面镜、凸面镜、凸透镜的成像规律,并发明了眼镜、幻灯、透镜和暗箱等光学元件。这个阶段人们主要是通过直接观察和生活经验对光现象进行记录和应用。

1.2　几何光学时代

这个时期大约是从16世纪到18世纪近300年,在这个时期人们建立了光的反射定律和折射定律发明了光学仪器,如望远镜、显微镜,费马在1657年发现了费马原理,即光在介质中传播时所走的光程取极值的原理。笛卡儿在1630年给出了折射定律的正弦定律,这一时期关于光的本性的认识是以光的直线传播为基础的,但从17世纪开始,发现了与光的直线传播不符合的事实,如点光源下,直杆的影子要比假设光沿直线传播所应具有的宽度稍大一点,这就是后来认识到的衍射问题。17世纪下半叶,牛顿和惠更斯分别对光的本质做了进一步的研究,牛顿对白光做了色散实验,认识到白光是由各色光复合而成的并发现了牛顿环,由此牛顿根据光的直线传播性质,提出了光的微粒说的理论,他认为光是由微粒说组成,从光源飞出,在均匀介质中做匀速直线运动,此观点成功地解释了光的反射和折射现象,但在解释牛顿环时,却遇到了困难。同时在解释衍射问题时,也遇到了不可克服的困难。

惠更斯反对这种理论,他认为光的传播与声的传播有某种相似性,光是在“以太”中传播的波,“以太”是一种想象的弹性介质,充满整个宇宙空间。光在“以太”中以次波原理进行传播,惠更斯原理不仅成功解释了反射和折射现象,还解释了双折射现象。但惠更斯没有对波动过程的特性给以足够的说明,他没有给出光波传播的波长和周期的概念,没有考虑次波的相位叠加,因此他没有摆脱几何光学的观念,不能由此说明光的波动本性。

这一时期,由于历史的原因,以牛动为代表的微粒说占统治地位,但由于相继发现了干涉、衍射和偏振等光的波动现象,以惠更斯为代表的波动说也初步提出来了,因而这个时期是从几何光学向波动光学过渡的时期,是人们对光的认识逐步深入的时期。

1.3　波动光学时代

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①收稿日期:2003-08-25

作者简介:高润梅(1966-),女,山西繁峙人,太原市教育学院物理系教师。

到了19世纪,波动光学得到了极大的发展, 1801年“杨氏双缝实验”成功并测定了光的波长, 1815年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理,形成了惠更斯———菲涅耳原理,这个原理成功解释了光的干涉和衍射现象,是波动光学的重要原理。1808年马吕斯首先发现了光的偏振现象,为了解释这一现象,托马斯・扬提出了光是横波的观点。而光波的传播媒质一直没有发现,1845年法拉第发现了光的振动面在强磁场中旋转,从而揭示了光和电磁现象的内在联系。麦克斯韦建立了电磁理论,他指出电磁波以光速传播,这说明光是一种电磁现象,这个结论随后为实验所证实。光的电磁理论基本确立。这时人们认识到光的本质是一种电磁波。

1.4　光的波粒二象性时期

19世纪末20世纪初,光学的研究深入到光的微观机制,认识到光的粒子本性,通过黑体辐射、光电效应、康普顿效应等一系列实验证实了光的粒子性,爱因斯坦在能量量子化的基础上提出光量子的假说,成功解释了光电效应,似乎光的本质的认识又回到了粒子说,但光量子假说不能解释光的偏振等波动理论已经成功解释了的现象。爱因斯坦对光的本性的两种认识作了辨证的思考,大胆提出了光的波粒二象性,认为光同时具有波动性和粒子性,从而将光的本质的两个不同的概念统一了起来。1924年德布罗意创立了物质波学说,他认为每一物质的粒子都既具有波动性又具有粒子性,这一假设随后为实验所证实。这说明波粒二象性是微观粒子所共有的属性。这里的“波”非惠更斯的波,“粒”不是牛顿的粒,波粒二象性是两个概念的统一也是对光本质认识的统一,光是一种物质,具有波粒二象性。现代量子场论认为各种微观粒子都对应着一种存在的场,利用场的激发产生粒子,激发场消失,粒子也消失。不同场之间相互作用时,可以得到不同粒子的转换。量子场论对波粒二象性的描述为把量子论中的波函数定义为描述客观存在的量子场的场函数,场函数化描述场的量子化。因此,量子场论从本质上描述了微观粒子的波粒二象性。

2.　对光本质认识不断深入的启示

2.1　挑战权威才能产生创新

纵观光学的发展历史,对光本质认识的每一次深入,都必须有敢于向权威向旧理论说“不”的勇气, 17世纪,惠更斯敢于向当时处于鼎盛时期的牛顿说“不”,从而发展了光的波动说;20世纪初,年轻的爱因斯坦敢于向发展完美的光的电磁理论说“不”,发展了光的量子说。每一个“不”都带来了对光本质认识的质的飞跃。可见挑战孕育创新,信心带来成功。而今我们要搞创新教育,最重要的方法之一就是要培养青年学生的科学精神,让他们具有独立思考能力,有大胆质疑精神,有敢于向旧思想旧理论挑战的勇气和决心。只有具有产生创新人才的土壤,才能产生创新人才本身。为此,教育者不但要创设知识传播的有效场景,更要设计出激发思维能力和创新能力的问题,促使学生积极思考,大胆怀疑。对现有的知识和答案不盲从,认真分析思考,发现问题,勇于提出,相信自己。同时,在课堂教学中要重视物理学史和科学史的介绍,从中学习科学家的献身精神和研究方法,激励学生学习科学的兴趣和自信的品格。为创造活动积累一切有益的财富。

2.2　讨论产生创新

对光学研究的每一重大发现的背后都经历了激烈的争论,惠更斯与粒子学派的争论,让人们逐渐认识到光的波动理论的合理性。而爱因斯坦与波尔的争论也使光乃至物质在微观世界的本质特征即量子性越来越清楚。这些争论不但对光学同时对整个物理学界都产生了极为深远的影响。物理学的人文精神很重要的一点就是它的民主精神:兼收并蓄,博纳广容。历史的发展也清晰的昭示我们:各种观点的争论和诘难都促进了学术思想的交流,最终推动了物理科学的发展。我们应将这种观念自觉地贯穿于教育教学中,给学生以充分的讨论时间和适当的讨论环境,教学中形成师生互动和生生互动。将学习的过程融会于讨论之中,让科学的结论产生于争鸣之后,这样不但能锻炼学生的思维能力,更重要的是在讨论中,可以相互借鉴,互相激发,产生创造的热情和灵感。最终达到培养具有创新精神和创造能力的人才。

人类进入21世纪,科学技术飞速发展,社会变革日益加剧,我们要适应时代的发展就要敢于向旧思想挑战,勇于跟同伴和师长争论,因为“科学扎根于讨论”,只有这样,光的本性才会越来越清楚,物理学才会有重大发现,科学技术才能不断发展,社会才能不断进步,为此我们要不断努力,不断探索。要在继承历史遗产的同时,借鉴历史发展的一般规律。更要敢于挑战历史,创造未来,要始终走“创新”之路。

参考文献:

[1]赵凯华,种锡华.光学[M].北京:北京大学出版

社,1982.

[2]夏磊等.20世纪物理学革命的启示[J].现代物

理知识,2002(2).

[3]张成原.波粒二象性[J].聊城师范学报,1999

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【责任编辑　吉选芒】

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