关于光的本性的争论

关于光的本性的争论

关于光的本性的探索可追溯到古希腊时代，毕达哥拉斯学派和原子论派认为光是物体所发出的粒子，亚里士多德则认为光是透明介质中的运动和变化，这些都可认为是微粒说和波动说的萌芽。近代微粒说由笛卡儿首先提出的，他认为光由大量的微小弹性粒子所组成，并用此假说解释了光的反射和折射。意大利物理学家格里马第（Francesco Maria Grirnaldi，1618～1663）首先从实验上观察到光的衍射现象，这是光的波动学说的佐证。牛顿的分光实验以及牛顿环的发现使他意识到，光本质上是运动的微粒，他不能正确地解释由他自己做出的伟大发现。与牛顿同时代的胡克和惠更斯主张光是一种波动，由此展开了近两个世纪的光的本性之争。

1、牛顿倡导的光的微粒说

在自然界里，光是人们日常生活中最熟悉的一种现象，光能使世界上一切物体呈现出它们的形状和颜色我们赖以生存的氧气和食物的产生，也是以植物的光合作用为基础的。总之，人类的生活离不开光。多少世纪以来，科学家们为探索光的本性作了大量的实验，提出了许多理论，但是至今还没有能得出最终的、根本性的回答。究竟光是什么？即关于光的本性这个问题的认识，在不同的历史发展阶段，是不断变化着的，甚至在同一历史时期，也存在两种截然相反的观点。十七世纪，为了解释这些基本规律，形成了两大学派：一派是以牛顿为代表的“微粒说”，另一派是由胡克、惠更斯为代表所倡议的“波动说”。

1664—1668年，牛顿独立地对色和色散进行了实验研究，1669—1671年间，在剑桥大学授课时阐述了他的研究结果：他让太阳光通过一块三角棱镜，经棱镜射出的光束是一条按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺序排列的彩色光带。这种光带就称为“光谱”。白光就是由这几种光混合而成的。为了解释这些光学现象，牛顿提出了光的微粒说；他认为：光是由弹性微粒流组成，由光源发出，以高速作直线运动。牛顿以此为论据，阐明了光沿直线传播的性质及反射定律，也解释了光的折射现象。他认为光的传播速度决定于媒质的密度，媒质的密度越大，光在其中传播的速度也越大。根据他的假设，光在水、玻璃中的速度大于空气中的速度。但以后的实验结果与此恰恰相反，证明牛顿的这一结论是错误的。1672年2月6日，牛顿送交皇家学会的一封信“关于光和色的新理论”一文，这是牛顿第一篇认真的科学论文。他利用13个命题阐述了他的颜色起源学说，“颜色不象一般所认为的那样是从自然物体的折射或反射中所导出的光的性能，而是一种原始的、天生的、在不同光线中不同的性质。”“通常的白光确实是每一种不同颜色的光线的混合，光谱的伸长是由于玻璃对这些不同的光线折射本领不同”。牛顿说出了自己关于光的物质性的见解，认为“光线可能是球形的物体”，这就是我们通常所说的光的微粒说。牛顿用这种观念。很容易解释光的直线传播，同时也能解释光的反射和折射。

牛顿倾向于微粒说且反对波动说的，他在1704年出版的《光学》中，陈述了波动说的几种不足。第一，波动说不能很好地解释光的直线传播现象。如果光是一种波动，它就应该有绕射现象，就象声音可以绕过障碍物而传播一样，但我们并没有观察到光有这种现象。第二，波动说不能令人满意地解释方解石的双折射现象。第三，波动说依赖于介质的存在，可是没有什么证据表明，天空中有这样的介质，因为从天体的运行看不出受到介质阻力的迹象。基于这些理由，牛顿怀疑波动说，而提出光是一种微粒的看法。不过，牛顿也不完全排斥波动思想。比如，他就提出过光粒子可能在以太中激起周期性振动。但这些思想被后人有意无意地忘记，牛顿成了坚持微粒说的一面旗帜。部分由于惠更斯波动说的不完善性，部分由于牛顿的崇高威望，微粒说在整个18世纪占据主导地位。但是，在折射问题的解释上，波动说和微粒说之间出现了一个判决性的实验。微粒说认为，密介质中的光速大于疏介质中的光速，波动说则认为，密介质中的光速小于疏介质中的光速。可是当时，在实验室中测定光速还不可能，这个判决性实验也起不了判决性作用。但胡克是竭力反对牛顿对于光的本性是微粒的见解的人。

牛顿“关于光和色的新理论”的论文刚一发表，就招致了各种不同的批评，最为棘手的是胡克；胡克持着光是一种物体的学说来责难他，同年2月15日在写给皇家学会的信中提出“我不能认为它是唯一的假设，……但是，要承认他的第一个命题：光是一个物体，会有这样多颜色或等级，会有这样多种物体，全混合在一起成为白色……。”

牛顿在答复胡克的信中说，根据我们的理论，我主张光的粒子性，但他也存在着摇摆不定。随着频繁的信件往来，牛顿乘机更充分地说明他关于光的本性的观点，纯微粒说遇到障碍后，他开始尝试用光和光激起的以太波的相互作用来说明反射、折射现象；他说道：“我认为光既非以太也不是它的振动，而是从发光物体传播出来的某种与此不同的东西……另外一些人可以设想光是一群难以想象地细微而运动迅速的大小不同的粒子，这些粒子从远处发光体那里一个接一个地发射出来，但是在它们相继两个之间我们却感觉不到有什么时间间隔，它们为一个运动本原所不断推向前进”。牛顿以惊人的直觉提出光是粒子性与连续性的古怪混合的思想。在对薄膜颜色的考察中，通过精确的测量和计算，提出了光的周期性的概念，这表明牛顿的光学思想已发展到将粒子说与波动说调和与结合的地步。

2、胡克和惠更斯的光的波动说

胡克主张光是一种振动，他举出金刚石受到摩擦、打击或加热时，在黑暗中会发光的例证来说明光必定是一种振动。同时他还以金刚石的坚硬特性，提出这种振动必定是短促的。当讨论了光的直线传播和光速有限之后，胡克认为，在一种均匀煤质中，这一运动在各个方面都以相等的速度在传播，于是发光体的每一个脉动或振动都必将成一个球面。这个球面将不断地扩大，就如同把一石块投入水中后，在水面一点周围的环状波膨胀为越来越大的圆圈那样（尽管肯定要快得多）。由此可知，在均匀媒质中扰动起来的这些球面的一切部分都与射线交成直角。由此可见，胡克实际上已接触到了波前和波面的概念了。

胡克与牛顿争论时，提出不少问题，特别是微粒说所不能解释的一些事例。为了回答胡克提出的问题，牛顿又进一步研究，想办法如何来完善自己的假说和理论。由于牛顿对振动和波动过程有一个严格的了解，并有一个严整的数学原理，所以他在与胡克争论过程中，认为在自己的关于光的粒子结构的理论中做出的结论是正确的。1675年12月9日，牛顿在送交皇家学会的一篇论文——“涉及光和色的理论的假说”—文中，提出了一个把光的微粒和以太的振动相结合的新假说。论文中写道：“以太的振动在这一假说和那一假说中都是一样有用的和不可缺的。因为假定光线是从发光物质向各方面发射出去的小的微粒的话，那么当它们碰到任何一种折射或反射表面时，就必然要在以太中引起振动，正象石块被投到水中时要引起振动一样。我还假定，这些振动将按照激发它们的上述颗粒性光线的大小和速度不同而有不同的深度和厚度。”当牛顿在皇家学会宣读新的论文、阐述新的假说时，胡克却提出了关于优先权的要求。于是牛顿在愤慨之下，决定不发表光学著作。而牛顿的多年来的光学研究成果，只是在1704年间胡克死后的一年发表在他的《光学》著作中。这一偶然事件，看来是影响了光学的发展。

胡克作为英国波动学说的先驱者是当之无愧的，但最先将它系统化的是荷兰的惠更斯。惠更斯出生在海牙，年青时在莱顿大学学习，很早就显示出他的伟大的前途；在法国国王路易十四（Louis XIV）的劝告下，他与1666年到1681年间一直迁居在巴黎，他像同时代的伟人牛顿和莱布尼茨一样一生未婚。

在1678年法国科学院的一次会议上，罗默（Roemer Olaus，1644～1710）、卡西尼（Cassini G．D，1625～1712）和其他人出席了这次会议，惠更斯提出了一篇关于光的理论的令人注意的论文《论光》，这篇论文于1690年发表的，它是解释光的波动理论方面最早的重要尝试。

惠更斯原理。他把振动介质的每一个质点都看成一个中心，在

它的周围形成一个波（如图4），如果DCF是从作为中心的A

点开始的球面波，那么在这球面内的质点B将是和DCF相切于

C点的球面波DCL的中心。同样，在球面DCL内的每个质点

又都形成了它自己的波。所有这些无数的微弱的子波都是球面

波，每一个波都跟DCL相切于一点，并且都有助于DCL的形

成。惠更斯假定存在着无所不在的以太，他用波动论解释光的

反射和折射。他还详细地研究过大气折射和奇怪的冰洲石的双

折射现象。1669年，哥本哈根的巴托林（Bartholin Erasmus，Array

1625～1698）第一次在冰洲石上观察到光线的这种分开现象。

惠更斯还给出了画平常光线和非常光线的路径的方法。并观察

到这些光线是偏振的。他假定了在以太中的振动是纵向的，如同声音一样，因此，他不能解释奇怪的偏振