01物理学史光的本性

人类最伟大的十个科学发现之十：光的波粒二象性

人类对光的研究起源很早，但对光本质的认识经历了一个较漫长的过程。光究竟是波还是粒子？光的波动说与微粒说之争从十七世纪初开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共三百多年的时间。正是这种争论，推动了科学的发展，并导致了20世纪物理学的重大成就——量子力学的诞生。

战国初期伟大的思想家、政治家，也是一位有卓越贡献的自然科学家墨子（生于公元前480-476年左右，

卒于公元前420-390年左右）是

墨家学派的创始人。墨家学派著

作的总汇是《墨子》,其主要组成

部分是《墨经》，这是一部内容丰

富、结构严谨的科学著作。《墨经》中记载了丰富的几何光学知识。墨子和他的学生做了世界上最早的“小孔成像”实验，并对实验结果作出了光沿直线传播的科学解释，并用此原理解释了物体和投影的关系。

古希腊数学家欧几里德（Euclide,公元前330-公元前275）在他的《光学》著作里总结了到他那时为止已有的关于光现象的知识和猜

测。那时的人们已经知道，在眼睛和被观察物体之间行进的

光线是直线；当光线从一个平面反射时，入射角和反射角相

等。

古希腊天文学家、地理学家和光学家托勒密（Clandius Ptolemaeus，约90～168）最早做了光的折射实验。托勒密在他的最后一本重要

著作《光学》中提出和说明了各种基本原理，他依靠经验

发现了折射的规律，绘出了光线以各种入射角从光疏媒介

进入水的折射表，但没有由此得出精确的折射定律。

英国科学家罗吉尔·培根（Roger Bacon,1214-1292）在物理学方面，特别是对于光学的研究极为深刻，他通过实验研究了凸透镜的

放大效果以及光的反向和折射规律，证明了虹是太阳光

照射空气中的水珠而形成的自然现象。

意大利著名美术家、科学家列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci,1452-1519）以博学多才著称，他在光学、力学、数学和解剖学等方

面都有不少创见或发明。他描述了光是如何通过不同表

面反射的，眼睛是如何感觉反射并判断距离的，人类的

眼睛是如何接受透视的，以及光投射在物体上是如何产

生阴影的。

德国天文学家和数学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler,1571-1630）对光的折射现象进行了深入的研究，并于1611年出版了《折

射光学》一书。开普勒的研究表明，对于两种给定的媒质，

小于30度的入射角同相应的折射角成近似固定的比，对于

玻璃或水晶，这个比约为3:2。他还表明，这个比对于大的

入射角不成立。开普勒试图通过实验发现精确的折射定律，

他的方法虽然是正确的，却没有得到其中有规律性的联系，

但开普勒的研究为后来斯涅耳得出折射定律起到了一定的启示作用。

荷兰数学家威里布里德．斯涅耳（Willebrord Snell Van Roijen 1591-1626）在总结托勒密、开普勒等前人的研究成果后做了进一步的实

验。1621年，斯涅耳在实验中注意到了水中的物体看起来

象漂浮的现象，由此引出了他对折射现象的研究，并发现

了光的折射定律，也称斯涅耳定律，但当时未做任何理论

推导，虽然正确，却未正式公布。

1637年，法国数学家、物理学家、哲学家笛卡儿(Rene Des cartes,1596—1650)在他的《屈光学》书中提出了著名的折射定律。他从一些

假设出发，并从理论上进行了推导，即光的入射角与折射

角的正弦之比为常数，由此而奠定了几何光学的基础。

十七世纪中期，物理光学有了进一步的发展。1655年，意大利数学家格里马第（Francesco Maria Grimaldi，1618-1663）在实验中让

一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，他发现在投

影的边缘有一种明暗条纹的图像，马上联想起了水波的衍

射，于是格里马第提出：光可能是一种类似水波的波动，

这就是最早的光波动说。格里马第认为，物体颜色的不同，

是因为照射在物体上的光波频率的不同引起的。

格里马第的实验引起了英国物理学家胡克（Robert Hooke，1635-1703）的兴趣。他重复了格里马第的工作，并仔细观察了光在肥皂泡

里映射出的色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉。他判

断，光必定是某种快速的脉冲，提出了“光是以太的一种

纵向波”的假说。根据这一假说，胡克也认为光的颜色是

由其频率决定的。他在1665年出版的《显微术》

（Micrographia）一书中明确地支持波动说。这本著作很快

为胡克赢得了世界性的学术声誉，由于他的加入，波动说

似乎也在一时占了上风。

英国物理学家、数学家和天文学家牛顿（Isaac Newton,1642-1727）以极大的兴趣和热情对光学进行研究。1666年，牛顿在家休假期

间用三棱镜进行了著名的色散试验。一束太阳光通过三棱

镜后，分解成几种颜色的光谱带，再用一块带狭缝的挡板

把其他颜色的光挡住，只让一种颜色的光再通过第二个三

棱镜，结果出来的只是同样颜色的光，由此发现了白光是

由各种不同颜色的光组成的。为了验证这个发现，牛顿又

设法将几种不同的单色光合成白光，并且计算出不同颜色光的折射率，精确地说明了色散现象，揭开了物质的颜色之谜，物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。公元1672年，牛顿把自己的研究成果发表在《皇家学会哲学杂志》上。牛顿的分光试验使几何光学进入了一个新的领域：物理光学。牛顿提出了光的“微粒说”，认为光是由微粒形成的，并且走的是最快速的直线运动路径。

荷兰物理学家、天文学家、数学家克里斯蒂安·惠更斯（Christian Huygens,1629-1695）是与牛顿同一时代的科学家。惠更斯

发展了光的波动学说，在1678年给巴黎科学院的信和1690

年发表的《光论》一书中都阐述了他的光波动原理，即惠

更斯原理．他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种