人类对光的认识

人类对光的认识

人类从黑暗中走出来，是人类对光的认识，而认识光本身却经历了一个非常曲折、漫长的过程。光的发展史可追溯到2000多年前，中国早在公元前400多年(先秦时代) 的《墨经》中就有对光的记载，这是世界上最早的记载人类对光的认识。而总结人们对光的本性的认识过程可概括为：光的波动说→光的微粒说→光的波动说→光的量子说→光的粒子说→光的波粒二象性。

一、光的波动说的形成

十七世纪，法国物理学家笛卡儿用他提出的“以太”假说来说明光的本性。他的主张是强调媒质的影响，以“作用”的传播为出发点，特别是以接触作用或近距作用为出发点，把光看作压力或者脉动运动的传播。因而笛卡儿被认为是光的波动说的创始人。

而胡克在其出版的《显微术》一书，明确提出光是一种振动。在分析光的传播时，胡克提到了光速的大小是有限的，并认为“在一种均匀媒介中，这一运动在各个方向都以相等的速度传播。”这里已包含着波阵面、干涉等不少波动说的基本概念。

到了惠更斯，则从光的产生和它所引起的作用两方面来说明光是一种运动。他明确地指出了光是一种波动的思想。他提出了著名的惠更斯原理，运用这个原理，惠更斯不但成功地解释了反射和折射定律，而且还解释了双折射现象。

但是十七世纪，由笛卡儿、胡克、惠更斯等人所建立起的光的波动学说还是很不成熟的，而人类对光的认识也仅仅是个开端。

二、光的微粒说的形成

一般，人们都认为牛顿是微粒说的代表，牛顿于1675年曾提出：“光是一群难以想象的细微而迅速运动的大小不同的粒子”，这些粒子被发光体“一个接一个地发射出来”。用这样的观点，解释光的直进性、影的形成等现象是十分方便的，在解释光的反射和折射现象时，同样十分简便。当光射到两种介质的界面时，要发生反射和折射。虽然说这样的解释并不理想，但在当时来说已经足以说明光的本性了。

三、光的波动说的复兴

在十八世纪由于光的微粒说占统治地位，使光的波动理论实际上没有什么进展。十九世纪初由于一大批物理学家的共同努力，使光的波动学说再度复兴，并取得了极大的成功。

首先是英国的托马斯·杨，他提出了著名的“干涉原理”也称“波的迭加原理”，并在光学中首次引入了“干涉”的概念，同时指出了干涉现象的条件。但杨的发现没有受到科学界的重视。直到二十年之后，法国物理学家菲涅耳在法国独立地研究了光的理论，并特别称赞扬的工作之后，杨才恢复早期的光学

研究。托马斯·杨的工作从根本上证明了波动理论的正确性，为波动说的复兴奠定了基础。

其次是菲涅耳对波动说的再度复兴。菲涅耳从理论研究中发现了著名的惠更斯-菲涅耳原理。运用这个原理，就能以严密的数学方法计算出衍射带的分布，并解释光在均匀媒质中的近似的直线传播现象和干涉现象。他测定了光的波长，明确指出光和声的波动性就是产生衍射和干涉现象的原因。

这样，由于杨氏和菲涅耳等人的杰出工作，使光的波动说再度复兴，并得到了极大的完善和发展，使光的波动说在十九世纪占据了统治地位，盛行一时的微粒说不得不让位屈尊。

四、光的量子说

1900 年普朗克提出量子假设，1905 年爱因斯坦发表论光的量子理论著名论文，题目是《一个关于光的产生和转化的启发性观点》。爱因斯坦用光量子概念圆满地解释了经典物理理论无法解决的光电效应。爱因斯坦则根据光的量子理论成功地解释了光电效应，并总结出了光电效应方程式：E k =hν -W 十年后密立根的实验完全证实了爱因斯坦光电效应方程及理论的正确性，从而确立了光的量子理论，人类对光的认识再度登上一个崭新的台阶。

五、光的粒子性

1923 年美国物理学家康普顿在实验中又发现，伦琴射线被轻的原子散射后，波长发生了变化。后来用重原子散射时，也观察到这个现象，并且这时的康普顿效应更加复杂。可见光的波动理论能够解释波长不变的散射，但不能解释康普顿效应。康普顿用光子的概念成功地解释了康普顿效应。而同时这样计算出的数值与实验结果相符，从而证实光确实具有粒子性。

六、光的波粒二象性

至今经过几代科学家的的努力，我们对光的本性有更全面的认识。光是一种物质，光具有波动性和粒子性，即所谓的波粒二象性。光是由光子组成的，光子在很多方面具有经典粒子的属性，但光子的出现几率是按波动光学的预言来分布的。由于普朗克常数极小，频率不十分高的光子能量和动量很小，在很多情况下，个别光子不易显示出可观测的效应。人们平时看到的是大量光子的统计行为，只有在一些特殊场合，尤其是牵涉到光的发射与吸收等过程时，个别光子的粒子性会明显地表现出来。

七、结束语

从十七世纪形成了两种对立的学说，即光的波动说与微粒说，到微粒说占据统治地位，再到光的波动说的复兴，直至爱因斯坦提出光的量子说，康普顿证实光的粒子性，使人们对光的本性又有全新的认识，乃至到今天，人们认识到光具有波粒二象性。在这几个阶段的戏剧性提升中，人类对光的认识也逐渐走向清晰。