波粒二象性的认识过程及启示(1)

・物理学家和物理学史・
波粒二象性的认识过程及启示
冯一兵　熊保库　冀晓群
(河南信阳师范学院物理与电子工程学院;课程与教学改革研究所,河南信阳　464000)
光的波动说与微粒说之争,从17世纪初开始,至20世纪初以波粒二象性告终,前后共经历了近300年的时间.惠更斯、胡克、牛顿、托马斯・杨、菲涅耳、爱因斯坦等多位著名的物理学家成为这一论战双方的主辩手.正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱,并最终导致波粒二象性理论的诞生.
1　波动说与微粒说的提出和发展
人类认识并开始光学研究的时间很早,最早可以追溯到我国先秦时代的《墨经》一书,其中有大量关于几何光学的记载,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.但是,人类真正开始对光本性的研究时间较晚,始于17世纪. 1.1　波动学说的提出
1655年,意大利数学家格里马第在实验中让一束光穿过两个小孔后,照到暗室的屏幕上,他发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像,于是马上联想起了水波的衍射,并提出,光可能是一种类似水波的波动,这就是最早的光波动说.
格里马第的实验引起了英国物理学家胡克的兴趣,他重复了格里马第的实验后,明确主张光是一种振动.荷兰物理学家惠更斯对光本性问题的认识上与胡克的观点相同. 1678年,他在提交给巴黎科学院的回忆录中详细阐述了光的波动理论,他认为光的本质是波动,光是以太的一种纵波,认为光的颜色是由其频率决定的.1690年,惠更斯又发表了著名的《论光》一书,在该书中他进一步阐发了他的光传播机制理论,提出了著名的以他的名字命名的惠更斯原理.并在此基础上用作图法解释了光的反射、折射等现象.
1.2　微粒学说的提出
1666年,牛顿在家休假期间用三棱镜进行了著名的色散实验.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,并指出,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.1672年,牛顿在他的《关于光和色的新理论》一文中提出,光可能是球形的物体,这是他微粒说提出的初始形态,并用微粒说阐述了光的颜色理论.同时,牛顿用微粒说解释了光的直进、反射和折射现象.由于他的微粒说能够简单、通俗地解释一些光学现象,因而很快获得了人们的承认和支持.
1.3　微粒说和波动说之争
微粒说和波动说之间的前期争论实际上是由“光的颜色”这根导火索引燃的.格里马第认为光是一种能够作波浪式运动的流体,光的不同颜色是波动频率不同的结果.随后胡克重复了格里马第的实验,并通过对肥皂泡膜颜色的观察提出了“光是以太的一种纵向波”的假说,也认为光的颜色是由其频率决定的.惠更斯也持同样的观点.而牛顿则认为,光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起和被分开一样,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.从此,分别以胡克和牛顿为代表的两派之间展开了漫长而激烈的争论.牛顿开始并没有完全否定波动说,也不是微粒说偏执的支持者,但在争论展开以后,牛顿在很多论文中对胡克的波动说进行了反驳.由于此时的牛顿和胡克都没有形成完整的理论,因此波动说和微粒说之间此时的论战并没有全面展开.但科学上的争论就是这样,一旦产生便要寻个水落石出,旧的问题还没有解决,新一轮的争论已在酝酿之中.
1.4　波动学说的重新崛起
1801年,托马斯・杨更以不盲目迷信权威的精神说:“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阻碍了科学的进步.”杨氏在《关于光和声的实验和问题》一文中,把光和声进行类比: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.1801年,杨氏进行了著名的双缝干涉实验,他巧妙地利用这个实验把单个波阵面分解为两个波阵面,通过锁定两个光源之间的相位差的方法来研究光的干涉现象.实验中白屏上明暗相间的条纹证明了光的干涉现象,他用叠加原理进行了解释,证明光是一种波,从而为光的波动学说的确立奠定了基础.
1.5　微粒学说的激烈反驳
杨氏的理论激起了牛顿学派对波动学说研究的兴趣. 1809年,法国物理学家及军事工程师马吕斯在实验中发现了光的偏振现象,在进一步研究光的折射中的偏振时,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.1811年,苏格兰物理学家布儒斯特在研究光的偏振现象时提出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,成为了反对波动说的有力证据,使光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展.
1.6　波动说的再次兴起
面对微粒学说的反驳,杨氏对光学再次进行了深入的研究,1817年,他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法,提出了光是一种横波的假说,比较成功地解释了光的偏振现
象.1814年,菲涅耳开始光的波动说的研究,他从横波观点出发,圆满地解释了光的偏振,并定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹.但菲涅耳的波动理论遭到了泊松的反对,泊松运用菲涅耳的方程推导出关于圆盘衍射的令人难以相信的结论:假如这些方程是正确的,那么当把一个小圆盘放在光束中时,就会在小圆盘后面屏幕上盘影的中心点出现亮斑.显然谁也没看到过这种现象,所以泊松宣布,他驳倒了菲涅耳的波动理论.可是菲涅耳和阿拉果不久就用实验验证了这个理论,影子中心的确出现了亮斑,后来戏称为“泊松亮斑”.这样波动学说又兴起了.
2　波粒二象性的提出和深化
2.1　光的电磁理论的建立
1864年,英国数学物理学家麦克斯韦发表了《电磁场的动力学理论》一文,建立了电磁场方程组.他预言了电磁波的存在,并将光和电磁现象统一起来,认为光就是一定频率范围内的电磁波.1888年,德国年轻的物理学家赫兹通过实验证明了电磁波的存在.同年,赫兹又用实验测定了电磁波在空气中的传播速度,结果与光在空气中的传播速度相同.接着,赫兹又做了一系列的电磁波实验,研究了电磁波在固体表面的反射,验证了电磁波在反射过程中符合光的反射定律,在电磁波通过棱镜的实验中,其偏折规律与光的偏折规律也相同,另外,赫兹还做了电磁波在凹球面反射镜中的聚焦,并做了干涉、衍射、偏振等实验.这一切都清楚地表明,电磁波的性质与光波的性质相同.赫兹的实验不仅雄辩地证明了麦克斯韦电磁场理论的正确性,也证明了光的电磁波理论的正确性,使光的波动理论上升到了一个崭新的阶段,即光的电磁波理论阶段,这是人类对于光本性认识的又一次巨大进步.
2.2　量子假说和波粒二象性的提出
19世纪末期,当人们的研究深入到光与物质的相互作用领域时,困惑地发现,许多问题是无法用光的电磁波动说加以解释的.其中最著名的难点是黑体辐射、康普顿散射以及光电效应等.
1900年,普朗克提出了能量子假说,即物质辐射(或吸收)的能量只能是某一最小能量单位(能量子)的整数倍的假说.受普朗克能量子假说的启发,1905年,爱因斯坦发表了他的著名论文《光的产生和转化的一个启发性观点》,在这篇论文中,他提出了光量子的概念,并成功地解释了光电效应现象.他认为光波中的能量是以hν为单元呈现的,光与其他物质的相互作用,犹如粒子碰撞一样.实验表明,光波是类似于能量为hν的微粒组成的粒子流,后来把这种粒子叫做光子.
1909年,爱因斯坦在出席萨尔斯堡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……”.在这里,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,两者不会同时显示出来.
2.3　波粒二象性的升华
1924年,法国物理学家德布罗意指出,这种“二象性”并不特殊地只是一个光学现象,而是具有一般性的意义.他说:“整个世纪以来,在光学上,比起波动的研究,是过于忽略了粒子的研究方法,在实物理论上,是否发生了相反的错误呢?是不是我们把粒子的图像想得太多,而过分忽略了波的图像?”从这样的思想出发,他假定了波粒二象性理论也可适用于电子等实物粒子,即实物粒子也具有波粒二象性.就这样,他首次提出了“物质波”的概念,并指出,可以用电子的晶体衍射实验证实“物质波”的存在.1927年,美国科学家戴维逊和革末的单晶电子衍射实验证实了德布罗意关于物质波的假设.随后,实验发现质子、中子、原子和分子
等都有衍射现象,且都符合德布罗意关系式:λ=h
p
=h
m v
.至此,人们才全面、正确地认识了光乃至一般微观粒子“波粒二象性”的本质,使人类对波粒二象性的认识上升到一个更高的阶段.
3　波粒二象性的认识过程给我们的启示
3.1　要不畏权威,敢于挑战
对光本性研究的每一重大发现的背后都经历了激烈的争论,这些争论不但对光学同时对整个物理学的发展都产生了极为深远的影响.物理学史也清晰地昭示我们:各种观点的争论和诘难促进了学术思想的交流,最终推动了物理科学的发展.同时,也体现了物理学人文精神中很重要的民主精神:兼收并蓄,博纳广容.
另一方面,纵观光学的发展历史,对光本质认识的每一次深入,都充满着敢于向权威、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”,从而发展了光的量子说.每一个“不”都带来了对光本质认识的质的飞跃,挑战孕育着创新.
3.2　要科学、辩证地认识物理学规律
对立统一规律是辩证唯物主义的灵魂,辩证法的核心.它认为任何事物内部都包含着两个方面,这两个方面是不同的、互相对立的,同时又是相互依存、相互统一的.光的粒子性和波动性是两个对立的性质,单用粒子或波的理论都不能对光的行为做出满意解释.对立统一规律提示我们,粒子性和波动性在一定条件下是可以统一起来的,正是在这种辩证思想的指导下,成功地证实了“波粒二象性”,即波动性和粒子性是光在不同条件下表现出来的两种对立行为,这两种对立行为同时具备,只是在不同条件下,哪一种行为更明显罢了.波动性和粒子性既对立又统一,波粒二象性是粒子性和波动性的对立统一体.
否定之否定规律是事物发展的辩证法,它认为事物的发展是既继承又变革,是批判地继承,是否定中有肯定,肯定中有否定.人类对光的本性的认识过程就(下转第52页)
具.清代魏坤引《倚晴阁杂钞》云:“响葫芦,小儿口唧,嘘吸成声,俗名倒掖气.”[4]
其实,明刘侗、于奕正在《帝京景物略》中就已提到:“东之琉璃厂店、西之白塔寺卖琉璃瓶,盛朱鱼,转侧其影,小大俄忽.别有衔而嘘吸者,大声口贡口贡,小声唪唪,曰‘倒掖气’.”[5]
响葫芦用玻璃吹制而成.其吹制的方法是:先将玻璃拉成一根管子,然后将其一端吹成球,趁玻璃还软,在一个微凸的平面上一摁,使底平面略向内凹,待冷却后即成.
玩响葫芦的时候,对着管端轻轻吹气,当内部气压略大时,底便变形而突然外凸,随之噗地一响;然后再吸气,随着内部压力减小,底又噗地一响变为向内凹,这样一吹一吸,随着底的凸凹变化,响个不停.
如果把响葫芦看成是一个在外力作用下(即内部空气压强减去大气压)的变形物体,那么响葫芦的形变与外力并非线性关系.未吹气时,响葫芦底部向内凹.吹气后响葫芦内部压力增大,底逐渐向外移动.但当内部压强增加到某一定值时,继续向响葫芦吹气,响葫芦瞬间便从凹形突跳到凸形,发出清脆响声.此时若减少压强,即向响葫芦轻轻吸气,当内部压力减少到某一定值时,再继续向响葫芦吹气,响葫芦底部又从凸形突跳到未吹气时的初始状态,响葫芦再度发出响声.由此可知,在吹响葫芦的过程中,响葫芦内部压强的高低都有一个临界值,当压强达到临界值时,响葫芦形变的来回会突然跳动,即实现弹性突跳,响葫芦的发声正是在弹性突跳过程中形成的.
由于响葫芦底薄如蝉翼,稍不留神就会破碎,正如《帝京景物略》中所说:“匀匀呼吸吹薄纸,吸少呼多瓶脱底.”因此吹吸响葫芦具有一定的安全隐患,所以现在已很少生产了.
5　传声筒
传声筒,中国古代玩具,今名土电话,是一种利用固体传声的简易装置.《清稗类钞》详细介绍了传声筒的制作过程和使用方法:“传声筒者,截竹筒两枚,空其两端,各以一面用皮纸冒之,胶封甚固.两筒纸面相向,取长数丈之细线穿过之,使两人各执一筒,一人属口于此筒之空面,一人属耳于彼筒之空面,相去数丈,属口者随意言语,属耳者听之了了,他人不闻也.”[6]
传声筒的工作原理是:一人对着竹筒(发话筒)讲话,空气产生振动,它推动皮纸与细线振动,此时,细线另一端的皮纸也跟着振动,这样皮纸又带动竹筒(受话筒)及竹筒里的空气振动,把声音传给受话的一方.传声筒的两个竹筒,在使用过程中起到“共鸣箱”的作用,既可发话,也可受话.
传声筒的发明,可能受到“听翁”的启发.早在战国年代,墨家就经常利用“听翁”侦察敌情:“令陶者为罂,空四十斗以上,固(顺)之以薄革各革,置井中,使聪耳伏罂而听之,审知穴之所在,凿穴迎之.”[7]这里,敌人的穴道相当于发话筒,墨家的陶罂相当于受话筒,而未凿通的地道则相当于传声筒装置中的细线.这种设置,由于陶罂蒙皮,罂腔形成共振引起蒙皮振动,这就是容易为人所察觉.
曾公亮的“卧枕闻响”也是类似装置:“选聪耳少睡者,令卧枕空胡鹿,其胡鹿必以野猪皮为之,凡人马行在三十里以外,东西南北皆响闻.”北宋沈括也曾提到:“古法以牛革为矢服,卧则以为枕,取其中虚,附地枕之,数里内有马声,则皆闻之.盖虚能纳声也[8].”
参考文献:
1　[战国]韩非.韩非子・卷第十一・外储说左上第三十三(百子全书第3册).杭州:浙江人民出版社,1984.
2　[战国]墨子.卷十三・鲁问第四十九(百子全书第五册).杭州:浙江人民出版社,1984.
3　[晋][明]葛弘.抱朴子・内篇・杂应卷第五.上海:世界书局, 1935.70.
4　[清]于敏中等.日下旧闻考・卷一百五十・物产.北京:北京古籍出版社,1985.2405.
5　[明]刘侗,于奕正.帝京景物略・卷之二・城东内外.北京:北京古籍出版社,1983.67.
6　[清]徐珂.清稗类钞・第五册・工艺类.北京:中华书局,1984.2417. 7　百子全书・第五册・墨子・备城门第五十二.杭州:浙江人民出版社,1984.
8　[北宋]沈括.梦溪笔谈・卷十九・器用.北京:团结出版社,1996.
216.(收稿日期:2007-07-10)
(上接第50页)很好地说明了这一规律.光本性的一系列假说,从微粒说到光子说,从波动说到电磁说,再到最后统一为波粒二象性,经历了几百年漫长而曲折的认识过程,实际上是一个辩证的否定过程.新旧假说的更替,并不是新假说对旧假说的全盘否定,而是既克服又保留,既变革又继承,以牛顿为代表的微粒说,既有古希腊人的光粒子学说的痕迹,但又不同于光粒子学说;麦克斯韦的电磁说使惠更斯的波动说摆脱了机械波的束缚,是人类对光的本性认识的一次飞跃.同样,爱因斯坦的光子说又与牛顿的机械微粒说有着质的区别,因为光子已不是经典的机械微粒,光子说的提出,是人类对光的本性认识的又一次飞跃.
3.3　要认识到真理的相对性和动态性
波粒二象性的认识过程,充分地体现了物理学规律的相对性、动态性.作为认识自然规律的物理学,其包含着对与错、真与假的双重因素,包含有大量未知因素,不可能完美无缺.因此,我们应从物理规律的更替演变中认识它的条件性、局限性,认识物理理论的相对真理性.
波粒二象性的认识过程,深刻地体现了物理学发展的曲折性和物理思维的独特性,这对我们发展学生的科学观、方法论和科学思维能力,进而提高他们的科学素养,具有重要的启发和教育价值.
参考文献:
1　李艳平,申先甲.物理学史教程.北京:科学出版社,2003.
2　倪光炯,王炎森.文科物理—物理思想与人文精神的融合.北京:高等教育出版社,2005.109～134
3　林成滔.科学的故事.北京:中国档案出版社,2001.
(收稿日期:2007-09-12)。