历史进程中的光本质认识

历史进程中的光本质认识

[摘要]光学作为最古老的学科，与人们的日常生活和生产实践息息相关,人们对光现象的本质认识经历了许多艰难和曲折的过程，从牛顿时代开始,不同时期的科学流派对光本质的学说假设,出现过很大的分歧甚至是水火不相客。经过这场长达300多年时间的学术大争论，使人们在应用光学仪器的实践探索中对光现象有了更深的认识，同时也极大地推动了现代物理学和现代科学技术前沿阵地的发展。

[关键词]光学本质；几何光学；粒子；波动；电磁波；量子

光学作为物理学的最早分支，与古老的力学一样，我国古人对光学的认识和研究都走在了世界的前列。早在公元前 5 世纪，对光的直线传播、光的反射和折射现象就有较为详实的文字资料记载。人们对于光的认识,在历史上,中国可追溯到春秋时期墨子在《墨经》中的记载,当时墨家学派的代表人物墨翟和他的学生做的小孔成像实验,并得出了光沿直线传播的结论,这可以说是世界上对光的最早认识。西方可追溯到欧几里得在《反射光学》中的记载,这两本古书中均有大量光学现象和成像方面的描述.其后,人们探索和理解光的本质的步伐也从来没有停止。

光究竟是什么的争论很早就已经开始了,直到17世纪,通过牛顿和惠更斯的争论，才逐渐明确关于光的本性的两种学说。惠更斯著《论光》更明确地提出了光是一种波动的主张，他认为光是一种介质的运动，该运动从介质的一部分以有限速度依次地向其他部分传播，他把光的传播方式与声音在空气中的传播作比较。

波动说很容易能够解释微粒说不能解释的两个问题。水波可以同时发生反射和折射，并且水波的反射和折射规律和光完全相同。湖面上的激烈水波能够自由的互相穿过，通过一个窗口能够同时听到窗外几个人讲话的声音，这些都是人们熟知的波的现象。然而，早期的波动说缺乏定量的数学严密性，也缺乏对波动特性的足够说明，仍然摆脱不了几何光学的观念。同时，惠更斯所提出的波动说是把光比作像“水波”一样的机械波，即机械波的传播需要依靠介质，而光却能在真空中（即无介质）传播。

牛顿并不是在根本上否认光的波动性，事实上正是牛顿首先提出了光在本质上是一种周期过程的观点，他还多次提到光可能是一种振动并与声波作对比。然而从他的著作《光学》的其他部分来看，他还是倾向于光的微粒说。突出的例子是从光的微粒说出发，根据机械粒子遵守的力学规律来解释光的反射定律和折射定律，并得出了光密介质中的光速要大于光疏介质中的光速这一与事实不符的结论

19世纪初,沉寂达一个世纪之久的波动说开始复兴,其中功劳最大的当属英国物理学家托马斯·杨和法国工程师菲涅耳。1801年,杨巧妙的从同一列波的波面上取出两个次波源,这两个次波源恰好满足相干的条件,进行了著名的杨氏双缝干涉实验,在人类历史上最先为光的波动性提供了有力的实验证据,是导致光的波动理论被普遍承认的一个决定性的实验。

对光的波动理论有进一步推动作用的是光速的测量，其中最著名的是1850年傅科用高速旋转镜法测出了光在真空中的传播速度。

1873年英国物理学家麦克斯韦的重要著作《论电和磁》问世，标志着电磁场理论的全面建立。麦克斯韦在建立电磁场理论的时候，就注意到人们对光速的测量数据，根据麦克斯韦方程组计算出电磁波在真空中的传播速度与光速的测量值吻合得相当好。麦克斯韦在理论上预言：光是一种电磁波。1887年，赫兹用实验证实了电磁波的存在，并证明了电磁波和光波的一致性，我们平时所看见的光只不过是电磁波谱中的可见光部分，光学和电磁学两个彼此独立的领域，从此联系在了一起。

1887年，赫兹在进行电磁波实验时发现了光电效应，光电效应是指光照射到金属表面时，有电子从金属表面逸出的现象。1902年，德国物理学家勒那德找到两条实验规律：①任何一种金属都存在一个极限频率，只有入射光的频率大于极限频率才能产生光电效应；②光电子的最大初动能只随入射光频率的增大而增大，与入射光的强度无关。这两条规律都无法用波动理论进行解释。1905年，物理学家爱因斯坦在普朗克能量量子化假设的启发下，提出了光子说，光子说认为光在空间行进不是连续的波，而是一个个光子，根据爱因斯坦的光电效应方程可以圆满的解释光电效应的实验结果，爱因斯坦就是因为发现了光电效应定律而荣获1921年度的诺贝尔物理学奖。

1923年，美国物理学家康普顿在X射线的散射实验中观测到了光子和自由电子发生弹性碰撞时的现象，即康普顿效应，康普顿用光子的概念成功地解释了康普顿效应．他假设入射光是由许多光子组成，这些光子不但具有能量hv，而且具有动量hν/e 这样问题就转化为普

通的质点碰撞问题了，即具有动量和能量的光子与原来处在静止状态的电子相碰撞．碰撞过程遵循能量守恒与动量守恒定律．这样计算出的数值与实验结果相符，从而证实，光确实具有粒子性康普顿效应进一步证实了光的粒子性。

光既有波动性，又有粒子性，是一种具有波粒二象性的微观粒子，光的波动性是大量光子的行为表现，而个别光子则表现出粒子性。人类对光的本性的探索经历了一个循环，复杂曲折的过程，是人类顽强性与创造性的里程碑。

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。

科学争论犹如一块磨砺石, 或者是一座大熔炉, 磨砺、熔炼着各种理论、假说、解释、推论等各种观点的冲突、碰撞、交锋, 使一些理论得到了修正, 它们的局限性被排除了, 它们正如在磨制中获得金刚石的各个面一样地获得其最终完美的形式。但是正如任何磨制并不能创造金刚石一样, 科学争论本身也不能导致科学中产生从根本上说来是新的东西。在科学争论中, 从根本上说,具有决定意义的仍是科学实验和观察所得的科学事实。科学争论于科学发展的这些积极的影响或者作用其实是有限的, 我们不能盲目夸大、无限拔高这些作用,它们只

是在某种层面、某些方面存在着, 但也不能因此而忽略否定这些作用。对此要有正确的认识。

人类进入21世纪,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。

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