波粒二象性发展完整版

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<<从辩证唯物主义观点谈光的波粒二象性>>
高中物理课本中“光的波粒二象性”一节中作为对“光的本性”一章的概括性总结，寥寥五百多字将光的本性勾勒得淋漓尽致，不得不让人叹服做作者的物理造诣与文字功力。

但要说服学生接受光既是一种波又是一种粒子无异于在说同一个人既是男人又是女人一样让人难以接受，笔者在从事物理教学过程中曾尝试在概括光的干涉、衍射及光电效应等主要内容的同时，用马克思辨证唯物主义的观点作进一步阐释，收效甚佳。

下面将自己对于光的“波粒二象性”的辨证唯物主义分析的拙见罗列如下，供同行赐教。

一、微粒说和波动说的长期斗争
以牛顿为代表的微粒说认为光是微粒流，从光源发生，在均匀介质中遵守力学规律作匀速运动，对于光的反射则用弹性球的反跳来解释，对光的折射则用介质的吸引来阐释，另外牛顿还对光的色散、衍射等现象也作出解释，尽管有些十分牵强，尤其是对光的衍射、色散、干涉的解释。

惠更斯是波动说的代表。

他从波阵面的观点出发，认为将光振动看作在一种特殊介质——“以太”中传播的弹性脉动，而“以太”这种介质则充满了宇宙的全部空间，这便是着名的“惠更斯原理”。

在惠更斯原理中，他未提出波长的概念，因而对光的直线传播的解释十分勉强，而且无法解释偏振现象，对光的色散现象更是束手无策。

牛顿对经典力学的建立作出了空前绝后的贡献，这就很容易使人们用经典力学中机械论的观点去理解光的本性，而惠更斯的波动学说尽管对光的干涉、衍射的解释还比较完美，但其理论构架本身还很粗糙，在许多方面还不够完善，但由于牛顿在物理学界的泰斗地位因而在19世纪长达100多年的时间里，微粒说一直占有主导地位。

值得一提的是，牛顿并未从根本上否定微粒学说，他曾多次提到光可能是一种震动并与声音相类比，他说当光投射到一个物体上时，可能会引起物体中以太粒子的震动，就好
象投入水中的石块在水面激起波纹一样，并设想可能正是由于这种波引起干涉现象。

但总的来看，他仍对波动说持否定态度。

二、光的波粒二象性所包含的辩证唯物主义思想：
1、光的波动说与粒子说都是唯物主义的世界观：
无论是波动说还是粒子说，他们对光现象的认识都是建立在物质第一性的原则基础上的，牛顿也罢，惠更斯也罢，在对光的本性的认识上都未提出凌驾于客观存在以外的任何事物，都承认光的客观存在性，因而都是百分之百的唯物主义。

在这一点上两者终于走到一起，可谓殊途同归。

2、“光的波粒二象性”建立的过程实际上是“辩证法”和“形而上学”在方法论领域的斗争结果：
光的干涉、衍射等现象以无可辩驳的事实证明了光的波动理论的正确性，而光电效应的发现则为光的粒子说奠定了坚实的基础，但令人遗憾的是，波动说和粒子说都试图用自己的一套理论体系独立地解释光的一切行为，而人为地割裂了两种理论的联系，最终都堕入形而上学的深渊，而光的波粒二象性将两者有机地结合起来。

（1）、爱因斯坦在普朗克量子化理论的基础上为了能更好地解释光电效应提出着名的光子说，他认为光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子，光子的能量与其频率成正比，即E=hυ，h叫普朗克常数，υ则是光子的频率。

从爱因斯坦理论不难看出，频率本身是经典物理中波所特有的概念。

因此，光的粒子说实际上热情的接纳了波动学说，最起码承认“粒子说”这个“男人”身上还有少许的“女人味”。

（2）、在光的波粒二象性的启发下，法国物理学家德布罗意对于微观粒子提出了着名的德布罗意公式。

即λ=h/mv，其中λ为运动粒子的波长，mv为运动粒子的动量，在此基础上，后人又发现了许多微观粒子具有衍射现象，并提出“物质波”的概念。

仔细观察德布罗意公式会发现，是波的特性，而mv则是粒子的特性。

换句话说，光的波粒二象性其实是波动说与粒子说的辨证统一。

它从联系、发展的观点，而不是孤立、静止的观点去认识光的本性，因而是马克思辩证唯物主义的世界观和方法论，而绝对不是形而上学。

3、光的波粒二象性包含着量变与质变的辨证关系：
马克思辩证唯物主义认为，质和量在一定条件下可相互转化。

第一，量变是质变的必要准备，质变是以量变为前提和基础的，没有量变就没有质变；第二，质变是量变的必然结果，只有量变达到一定程度才可能引起质变，这一变化具有规律性、必然性。

具体到光的波粒二象性，便体现在波与粒子图象的统一。

物理学家们曾做过这样的实验，在扬氏双缝干涉实验中，在屏处放上照相底片，并设法减弱光流强度，使光子只能一个个地通过狭缝，实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出现一些无规则分布的点子，那些点子显然是光子打在底片上形成的，表现出光的粒子性；如果曝光时间足够长，底片上便出现了规则的干涉条纹。

由此可见，干涉实验中包含着深刻的从量变到质变的辨证关系。

在实验的第一个步骤中之所以在底片上出现的是一些无规则的点子，是因为量变未积累到足以发生质变，而一旦条件成熟，量变积累到一定程度，必然引起质变，使本来无规则的点子变成了规则的干涉条纹，发生了质的飞跃。

4、光的波粒二象性是对立统一规律的必然产物：
马克思辩证唯物主义认为，任何事物都存在矛盾，矛盾的同一性和斗争性是世界上一切事物、现象和过程内部都包含的相互关联、相互排斥的两个方面，正是这两个方面推动了事物的发展。

光的波动性和粒子性便属于一对矛盾，波动说和粒子说在长期的斗争中相互包含，相互吸取有利于自身的因素（这种行为可能是无意识的，双方都不承认），共同发展，正是由于波动说和粒子说相互斗争、相互同化，才最终诞生了物理学王冠上一颗璀璨的明珠——光的波粒二象性。

最典型的事例便是爱因斯坦光子能量公式和德布罗意公式，这两个公式将波动说与粒子说完美地统一起来，成为物理学大厦的一块基石。

5、光的波粒二象性是否定之否定规律结出的硕果：
纵观物理学发展史，以牛顿为代表的一批杰出的物理学家所提出的粒子说得到了光的直线传播等实验事实的有力支持，但在对光的干涉、衍射等问题上遇到了难以克服的困难，于是波动说应运而生，实现了对粒子说的第一次否定。

随着新实验事实的发现，如光的色散、光的偏振现象又为波动说设置了难以逾越的障碍，双方又进入到第二次否定，即对波动说的否定，即所谓的否定之否定，既保留了各自的积极因素，又克服了各自的片面性，实现了肯定方面与否定方面的辨证统一。

经过艰苦的肯定、否定、否定之否定循环往复，才最终上升到“光的波粒二象性”的理性认识上来，最后，双方不得不痛苦地接受“光既是一种粒子，又是一种波”这个近乎荒诞不经的事实。

综上所述，光的波粒二象性对光的本性的认识包含着深刻的辩证唯物主义思想。

唯物主义观点、辩证法与形而上学的斗争、量变与质变的辨证关系、对立统一规律、否定之否定规律贯穿物理光学的始终，无不闪耀着智慧的光芒。

驻笔于此，不得不使我对我们的物理学前辈们肃然起敬。

4根据波粒二象性的科学探索过程，分析对我们如何发现和发展真理有哪些启示。

【答案要点】(1)波粒二象性的科学探索过程。

17世纪末，牛顿提出了光的微粒说，认为光是由微粒状的物质组成的。

不久惠根斯提出了光的波动说，认为光是一种波动。

由于当时牛顿在科学界享有极高的威望，微粒说占了上风。

19世纪初，波动说又重新提出，并用实验有力否定了牛顿的微粒说。

19世纪末，光电效应等一系列的实验向波动说提出了新的挑战。

爱因斯坦最终冲破禁区，创立了光的量子学说，认为光既是波，又是微粒，是连续的，又是不连续的。

(2)以上科学探索过程，对我们发现和发展真理的主要启示有以下几点。

第一，波粒二象性探索过程中的每一个科学认识都体现了真理绝对性与真理相对性的辩证统一，是一个从相对真理不断接近于绝对真理的过程。

第二，实践是认识的来源和检验真理的标准，人们对波粒二象性的认识，来源于科学实践，也只能通过科学实践来检验，在科学实验中得到发展。

第三，实践标准既有确定性又有不确定性，波粒二象性探索过程中的每一种科学认识，都是当时条件下人们的实践所形成的真理性认识，随着实践条件的发展变化，随着新的实验水平的发展而发展，实践检验的标准也是不断发展的。

第四，在发展中的实践中，人们对真理的认识是无止境的，永远不会停留在一个水平上，波粒二象性的发现，也没有结束真理。

第五，人们要发现和发展真理，必然充分发挥主观能动性，解放思想，运用创新思维，发扬创新精神，不要被已有的理论和实践所束缚，敢于对现有理论提出质疑、善于思考、敢于实践、大胆探索，创新出新的理论与新的事物。

1
、
本案例是对人类认识光的本质的科学发展史的回顾，反映了认识真理道路的曲折性问题以及真理与谬误的对立统一问题。

真理是人们对于客观事物及其规律的正确认识。

人类的认识活动从总体上讲是为了获得真理，并用真理知道实践，以取得实践的成功。

真理具有客观性。

真理作为一种主观的思想形式，是把不以人的意志为转移的外部客观世界作为认识对象的。

在这段科学发展史中，人们对于光的本质的认识是主观的思想，而光的本质是客观的，是不以人的意志为转移的。

检验真理的标准也是客观的。

实践是检验真理的唯一标准，人们通过实践中积累的经验，又牛顿总结，提出了“粒子说”；正是一个个实验证明了光的波动性，打击了“粒子说”；而又是光电效应的发现是“波动说”转入下风，最后爱因斯坦的“波粒二象性”得到了多数人的认可。

这又体现了真理的相对性，即真理的有条件性，有限性。

任何真理都会受到人类实践水平和范围以及认识能力的限制，它只能是对无限的无纸世界发展的某一阶段、某一方面、某层次的认识，因而是有限的。

“粒子说”“波动说”轮流占上风，最终统一于波粒二象性，体现了真理与谬误的对立统一。

2
、
光既具有粒子性，又具有波动性，即现在被绝大多数人承认的波粒二象性。

具体来说就是某物质同时具备波的特质及粒子的特质。

二者在经典力学中是对立的，
但
“粒
子说”无法解释光的干涉和衍射现象，光电效应又无法被“波动说”阐释。

1905
年
爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。

即光的粒子性和波动性又是统一的。

因此二者的关系是对立统一的。

对光的本质的认识经历了“粒子说”和“波动说”轮流占上风，最终统一于“波粒二象性”的曲折过程。

现实在实践中的经验告诉人们光是粒子组成的，后来光的衍射和干涉实验打击了这一理论，并提出了崭新的光的波动性学说，而后随着实践的发展，二者互相矛盾却不能解释全部的光学现象，爱因斯坦的光量子学说，统一了二者，在现阶段被多数人认可。

1.
引言
光与人类的生活有着密切的联系，人们借助光来观察世界和从事劳动。

早在
两千多年前，中外古人就对光的直线传播、反射和折射现象进行了研究。

关于光
的本性问题，笛卡儿在《方法论》之《折光学》中提出了两种假说：一种假说认为，光是类似于微粒的一种物质；另一种假说认为，光是一种以“以太”为媒质的压力
[1]。

他的这两种假说为后来以牛顿为代表的“微粒说”和以惠更斯为代表
的“波动说”的两大对抗阵营的形成埋下了伏笔，这两种表面看似矛盾的学说也成为当前所公论的光具有“波粒二象性”的理论基础。

光的波粒二象性理论成功建立，辩证法的三大规律始终伴随着整个过程。

自然辩证法的基本精髓也要求物理学家从事实材料出发，弄清事物的现象与本质，不断探索研究，根据已知，探索未知，从中创造出新知，最终得出正确的科学理论。

2.
光的波动说与微粒说的两次交锋
2.1?
光的波动说与微粒说第一次交锋
波动说与微粒说的第一次交锋由“光的颜色”这根导火索引燃，从此英国物
理学家胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。

胡克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”的科学假说，并据此认为光的颜色是由其频率决定的。

但是，牛顿却否同胡克的看法。

1672
年，牛顿的光色散实验：让阳光
通过小孔照在暗室里的棱镜上，在对面的墙壁上会得到彩色光谱。

他阐述了光的颜色理论，认为光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。

之后，以胡克为主的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文《关于光和
色的新理论》基本上持以否定的态度。

1675
年牛顿在《说明在我的几篇论文中所
谈到的光的性质的一个假说》一文中，再次反驳了胡克的波动说，重申了他的微粒说。

但这时的牛顿和胡克都没有形成完整、系统的理论，因此波动说和微粒说之
间的交锋没有以某一方的胜利而告终，只是暂时休战。

但科学争论继续存在，物理学家就会孜孜不倦寻个水落石出，这也是辩证法的精神所在，科学理论最终会在不断的探索中成熟
[2]。

2.2?
光的波动说与微粒说第二次交锋
波动说的支持者—惠更斯继承并完善了胡克的观点。

他仔细研究了牛顿的光
学实验和格里马第实验，并提出了光是一种机械波：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”；波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源
[3]。

惠更斯以波动说证明了光的反射定律和折射定律，也成功解释了光
的衍射、双折射现象和“牛顿环”实验。

与此同时，牛顿修改和完善了《光学》。

牛顿一方面提出了两点反驳惠更斯
的理由：第一，光如果是一种波，就应同声波一样可以绕过障碍物，不会产生影子；第二，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。

另一方面，牛顿把他的物质微粒观推广到了整个自然界，并与他的
质点力学体系融为一体，为微粒说找到了坚强的后盾
[4]。

3.
光的波粒二象性
任何理论的真假，必须由实践来检验。

那么光究竟是波，还是微粒呢？这是物理学的难题，也是哲学问题。

随着科学技术的发展和认识手段的丰富，以及辩证法的三大规律的支配，波动说和微粒说经历了多次的此消彼长，
最终以波动说和微粒说的辩证统一，
即
形成波粒二象性理论而宣告结束。

1905
年
3
月，爱因斯坦发表了《关于光的产生
和转化的一个推测性观点》。

他认为对于时间的平均值，光表现为波动；对于时
间的瞬间值，
光表现为微粒性。

提出，
光既有波动性又有微粒性，
即光的波粒二
象性，这才是光的本性。

4.
辩证法三大规律对于光的波粒二象性的辩证思维意义
辩证法三大规律，即对立统一规律、量变质变规律、否定之否定规律。

辩证法规律，主要揭示本质自身中的矛盾具有的特点，因此，它不是停留在具有直观性的矛盾现象上，而是上升到本质自身内部的矛盾两方面，即上升到本质高度把握客观存在的现象联系。

在辩证法的三大规律中，基本规律、核心规律是对立统一规律，其他两个规律都是对立统一规律的展开形式。

因此，三者之间不是并列的关系，而是一分为二的关系
[5] 。

辩证思维最基本的特点是将对象作为一个整体，从其内在矛盾的运动、变化及各个方面的相互联系中进行考察，以便从本质上系统、完整地认识对象。

辩证思维的实质就是按照唯物辩证法的原则，在联系和发展中把握认识对象，在对立统一中认识事物。

辩证法把自然界的本质和发展规律作为研究对象，从整体上研究自然界存在和演化的根本性质和普遍规律
[6]。

下面我将从两个方面阐述光的波粒二象性的辩证思维意义。

4.1
从波动说和微粒说的局限性方面，阐述光的波粒二象性的辩证思维意义
牛顿用微粒说成功解释光的直线传播、反射和折射现象。

但微粒说无法解释
在空间几束交叉的光线能互不干扰独立传播的现象，以及光的衍射、折射现象和
“牛顿环”实验。

相对立的是，惠更斯用波动说不但解释了在空间几束交叉的光
线能互不干扰独立传播的现象，而且解释了光的反射和折射现象。

但微粒说和波
动说都不完善，各有支持者。

最后，爱因斯坦提出光量子说，巧妙地把微粒说和
波动说结合在一起，并辨证地指出：“光既是波，又是微粒，是连续的，又是不
连续的，自然界喜欢矛盾”
牛顿用微粒说不能解释的一些光学现象和惠更斯的波动说的很不完善的解
释，说明当时他们没有运用全面的观点去考察研究对象，即从时空整体上全面地
考察研究对象的横向联系和纵向发展过程。

爱因斯坦光量子理论把微粒和波紧密
地联系在一起，充分的说明了爱因斯坦从辩证思维方法来阐述光的波粒二象性。

由此说明，从辩证思维来研究自然科学的问题，是必要的而且是不可或缺的。

4.2
从波和微粒的本质方面，阐述光的波粒二象性的辩证思维意义
微粒是物质的质量和能量在空间的集中，其有明确界面和确定位置，微粒的
运动具有一定的轨道。

而波是物质的能量在空间里的连续分布，其运动状态具有周期性，不同的波相遇时，服从叠加原理，在一定的条件下可以相互抵消，或者相互加强。

所以在经典物理学中，微粒和波是两种完全不同的物质形态，是互相对立的。

微粒性属于实物，波动性属于场
[7]。

十九世纪发现了场之后，证实和丰富了辩证唯物主义的内容，深刻地说明了
物质世界内部是一分为二的，是物质的连续形态和间断形态之间的对立，即场和实物的对立，由于这两者的对立统一，构成了万物。

随着科学的发展，物理学家发现连续的场具有微粒性，
间断的实物也具有波动性。

（波）
和间断
（微粒）
这两种对立属性同时存在于统一的微观微粒之中，
这也即是光的波粒二象性理论
成功建立的理论基础。

5.
总结
从以上论述我们可以看出，光的波动性和微粒性之间既对立又统一的矛盾
恰恰是自然辩证法对立统一规律的生动表现。

这两种性质表面上看似乎是矛盾的，但在客观实际自然现象中，它们却是统一的、共处的。

爱因斯坦的光的二象性理论并不是微粒说和波动说的简单结合。

光的微粒性指光的量子性，而光的波动性指光是电磁波。

这两种性质是相互矛盾的，但它们可通过光子的能量与动量公式联系起来，这就是光的本性—波粒二象性。

显然，光的微粒说、波动说、二象性理论是关于光的本性的三种不同的学说。

正因为如此，我们才
说，在这里，事物是一分为三的，但同时又是辩证统一的。