从探索与实践中认识光现象的本质.doc

从探索与实践中认识光现象的本质陈建平（浙江省邮电职业技术学院 浙江 绍兴 312000）摘要：文章阐述了从古至今人们对光的不断认识、研究和探索，论述了科学家们在实践基础上对光现象进行的各种学说假设，以及不同时期的学术流派对光本质的学术争辩。关键词：光学本质；光学发展；光学应用 中图分类号：O24；O4-45; O21 文献标识码：A人来到这个世界上，一睁开眼睛就开始与光打交道，人类对外界的认知绝大部分都是通过视觉系统摄入信息，对各种自然现象的观察分析研究都离不开光。那么光的本质到底是什么呢？这看起来似乎很简单的问题，从古到今一直被众多人所关注，特别是十七世纪后半叶至本世纪初，科学家们争论了长达三百多年的时间，这场富有戏剧性学术大辩论，参与的人数之多，时间之久，辩争之激烈，不但在光学发展史上是绝无仅有的，即使在整个自然科学发展史上也是极为罕见的。今天我们回顾这些认识和探索的曲折过程，体验一下先辈们在实践中探索追求真理的艰难历程，也许对我们会有所启迪。 一、几何光学的建立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。早在公元前五世纪，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。1 戴念祖 张蔚河 中国古代物理学 商务印书馆 1977年 80页多年前的希腊天文学家托勒玫（Ptolemy，约公元90168年）通过对光折射现象的定量研究，测出了光从空气进入水中入射角与折射角的相关数据，并得出“折射角与入射角成正比”的近似结论。德国天文学家开普勒（Kepler，15711630年）对托勒玫结论进行了修正，但是在相当长的时间里人们始终没有找到一个满意的答案。直到1621年折射定律的精确形式才有荷兰数学家斯涅耳（Willebrord Snell，15801626年）发现，1637年由笛卡儿（Descartes，15961650年）公布于世 ，至此几何光学才渐渐形成了比较完整的体系。几何光学的基本原理的要点可表述为：1、光的直线传播（直射）定律；2、光的反射定律；3、光的折射定律（包括全反射现象）；4、光的独立传播定律；5、光路可逆原理。以上几个基本原理，一般情况下只适用于光在各向均匀的介质中传播，对于光在非均匀介质中的传播规律，法国数学家费马（Fermat，16011665年）用数学方法推出了更为普遍的“费马原理”：若光在A到B的空间里充满了折射率连续改变的介质，刚光路是一条曲线（如图）将AB分为许多段元，每一段元上的折射率可视为常数 ，则相应的光程 B （折射率与几何长度的乘积）为：，由A到B的总光程为： ，沿AB所需的时间： C为光速），根据变分法原理， A时间t有极值的条件是上式的定积分的变分为零，即： 或 2 母国光 战元令 光学 人民教育出版社 1978年 17页上两式是费马原理的数学表达式，可以理解为：光从空间的一点传到另一点是沿着光程为极值的路径传播，也就是说是光沿着光程为最小、最大或常数的路径传播。这是一个非常有趣而极奇妙的现象，光从一点出发到达另一点，它自己会事先计算出沿哪一条路径所化的时间是最短,，可以想象光的“计算”速度是何等之快，因为我们现在知道光了光的传播速度已经是足够快的了。费马原理不但解决了光在不均匀介质中的传播问题，而且根据这个原理可以推导出几何光学的所有基本原理，所以我们说费马原理是几何光学的高度概括。 二、微粒说与波动说1666年，年轻的牛顿（Newton，16421727年）在做光的折射实验时，偶然发现同一玻璃棱镜对不同颜色的光有不同的折射率。进一步的研究他发现了光的色散现象。牛顿仿照他自己著名的经典力学的定义，他认为光是一种高速流动的微粒，这些微粒从光源出发飞出，就象从枪管里连续发射出的子弹一样，在均匀介质中沿直线传播，这种理论很形象地说明了光的直线传播现象。牛顿还用力学中弹性小球碰撞平面的反弹来类比解释光的反射.至于光的折射牛顿认为是由于介质对光微粒的引力不同，使光线的传播速度发生变化而引起的。牛顿关于光的微粒学说，对当时已经发现的光现象的解释取得了一定的成功，而且由于它符合人们的直观感觉，很容易被大众所接受。当时意大利教授格利马弟（Grimaldi）发现，在点光源的照射下，一根棒的影子边缘比较模糊，并不象几何投影那样黑白分明。他认为这是光线绕过棒的边缘进入影子的区域而造成的，这是第一次对光的直线传播理论提出了挑战。可惜当时这个现象并没有引起人们的重视。与牛顿同一时代的荷兰物理学家惠更斯（Huygens，16291695年）是牛顿光的微粒说的反对者，惠更斯1678年在法国科学院发表演讲，公开反对微粒说，提出光的波动说。他认为光同声一样“是以球形波面传播的，如同把石子投到平静的水面上所看到的水波相似”。他从光和声的某些相似性质出发，认为光是在一种特殊的弹性介质“以太”中传播的球面波。而“以太”则充满了整个宇宙空间。此后以牛顿为代表的微粒说和以惠更斯为代表的波动说，展开了长期的学术争论。 要证明自己观点是正确的，驳到对方学说是错误的，这是一件很不容易的事。 通过争论，当时牛顿的微粒说面临几个难题：一是不能解释格里马弟的小棒影子中光的绕射现象；二是如果说光是微粒，那么当两束光在交叉处相遇时，会互不干扰这是不可想象的；再就是用微粒说来解释牛顿他自己发现的“牛顿环”现象也遇到了一定的因难。 惠更斯的波动说解释光的绕射是很成功的，与声现象类比，也能推出光的反射和光的折射定律，并能够成功地解释当时发现的某些晶体的双折射现象，但解释光的直线传播和光的折射现象就比较勉强。而且对于“以太”这种充满整个宇宙并且是透明的弹性物质是否存在，也缺少实验证明。波动说还有一个致命的缺点，就是它缺乏坚实的数学理论基础。 说来也巧，真正推动光的波动理论走向成功的不是物理学家，而是一位多才多艺的法国医生托马斯扬（Thomas Young， 17731829年），1801年，杨氏经过巧妙的构思设计出了一个简单的实验装置，后人称为“杨氏双缝干涉实验”。他用同一光源分出来的两束光线进行叠加，成功地观察到了光的明暗相间的干涉条纹，并且在人类历史上第一次计算出了光的波长。他还用光干涉理论成功地解释了薄膜上出现的颜色和“牛顿环”现象。杨氏的成功不但极大地鼓舞了波动说的支持者，同时动摇了微粒说长达一百多年的统治地位。然而和任何新生事物产生一样，杨氏实验不但没有得到当时有关科学组织的认定，强大的微粒说拥护者们还围攻打击杨氏，杨氏当时不得不去埃及避难。 法国工程师菲涅耳（Fresnel，17881827年）曾用自己设计的双镜实验和单缝实验，也观察到了光的干涉和衍射现象。他运用有关的数学理论，创造了“菲涅耳波带法”，十分简便地计算出衍射条纹的距离分布规律，补充和发展了惠更斯理论，并成功地解释了光的直线传播规律。后人把光的波动理论称之为“惠更斯菲涅耳原理”。法国的另一位物理学家夫琅和费（Fraunhofer，17871862年），用平行光成功地进行了单缝和双缝衍射实验。马吕斯又发现了光的偏振现象，证明了光不是菲涅耳假设的纵波而应该是横波。至此光的波动理论终于获得了与微粒说并驾齐驱的地位。但是这两种学说的支持者们互不承认，针锋相对的学术争论仍在持续进行。3中学物理教师手册编写组 中学物理教师手册上海出版社 1980年 16页 三、电磁波理论和光量子学说 十九世纪初，电磁学的发展和应用突飞猛进，这为人们对光的本性的进一步认识提供了机遇。 1846年法拉弟 （Faraday， 17911867年）发现光的振动面在磁场中发生偏转，揭示了光现象和电现象之间肯定存在着某种内在的联系。继后，德国物理学家韦伯（Weber，18041865年），发现电荷的静电单位与电磁单位的比值等于光在真空中的速度，这些成果的取得极大地鼓舞了当时正致力于电磁场理论研究的英国杰出物理学家麦克斯韦（Maxwell，18311879年），凭着他高超的数学才能，经过十多年的努力，1865年他在哲学杂志上发表了著名论文电磁场的动力学理论。文章用精炼的数学公式推导出“麦克斯韦方程组”。他不但预言了电磁波的存在，而且推论出光也是一种电磁波，并且在理论上证明了电磁波的速度等于光速。把电、磁、光三个领域结合在一起，当时在整个物理学界引起了轰动。但事后由于缺少实验的验证，人们除了对麦克斯韦方程组数学结构的对称和完善赞赏外，几乎没有人相信这是事实，甚至当时一些名望很高的著名物理学家也持观望怀疑的态度。直到二十多年后的德国物理学家赫兹（Hertz，18571859年）从实验中验证了电磁波的存在，并证实电磁波的速度与光速相等，才打消了人们的疑虑。 十九世纪后半叶，麦克斯韦光的电磁波说已经逐渐被人们所接受，因为光的微粒说无法解释光的干涉、衍射和偏振现象。但人们也决不会因为牛顿提出和坚持光的微粒说，而否定他对近代自然科学作出的巨大贡献。尽管人们对光的波动性的认识已经从惠更斯的粗糙的机械波上升为电磁波，但还是认定光的传播需要弹性介质，甚至连麦克斯韦本人也没有突破这种枷锁，他只不过是用“电磁以太”代替惠更斯的“机械以太”。1887年美国物理学家迈克耳逊（Michelson，18521931年），用他自己发明的干涉仪，通过长期而细致的研究，否定了“以太”的存在。为此麦克耳逊获得了1907年的诺贝尔物理奖。光的电磁波理论被越来越多的人接受，人们似乎对牛顿的光微粒说渐渐淡忘了。可是事物的发展往往出乎人们的意料，本世纪初，人类对光的研究开始深入到光和物质的相互作用的微观领域。有人找到了黑体辐射中能量按波长分布的规律，发现了电子在光的作用下从金属表面发射出来的“光电效应”，随着对“光压”等新现象的深入研究，人们从光的电磁波理论中无论如何也找不到令人满意的解释，有的甚至会得出相反的结论。德国物理学家普朗克（Planck，18581947年）反复研究比较了当时同行们提出的黑体辐射的理论公式，他发现这些公式都与实验曲线不能完全吻合，针对这一难题，他应用了热力学的研究方法，找到了一个与之非常相符合的公式，但在进行理论论证时，出乎意料地得出了一个就连他本人都不敢相信的结论：能量在辐射过程中不是连续的，而是象一股股的涓流被释放出来，这一股股的涓流普朗克称它为“量子”，而量子的能量取决于光的频率。1900年普朗克在德国物理年会上大胆地提出量子假说，他认为各种不同频率的电磁波，只能以一定的能量子从谐振子发射，能量子是不连续的，它的值是光的频率与一个常数（后称普朗克常数）乘积和整数倍，即每一份能量为：。根据这个量子假说，普朗克圆满地解释了困扰人们几十年的黑体辐射问题。由于量子化的假设与麦克斯韦电磁波理论的波能量是不相容的,因而当时很多科学家对量子化的假说都持怀疑的态度。后来的事实证明，量子理论的引入不但给光学，而且给整个物理学提供了崭新的概念，开创了近代物理学特别是量子物理学的起点。为此1920年普朗克被授予诺贝尔物理学奖。 1887年赫兹首次发现“光电效应”的实验，后经过许多物理学家的不断改进，总结出光电效应中所遵循的几条规律，但主要的几条规律与光的波动说有着深刻的矛盾。这时年仅26岁的爱因斯坦（E.Einstein，18791955年）应用了普朗克提出的量子假设，发表了题为关于光的产生和转化的一个启发性观点的论文，提出了有关光量子的假说，以全新的量子理论的方式提出了光与物质相互作用的问题。他认为光的能量并不象电磁波理论所描述的那样分布在波阵面上，而是集中在光子的微粒上，当然这个微粒已经不是牛顿所描绘的粒子。光子仍然保持着它的频率或波长的概念。爱因斯坦光量子说，成功地解释了麦克斯韦电磁波说无法解释的光电效应现象，并导出了著名的“爱因斯坦公式”：。十年后“爱因斯坦方程”所描述的光电效应现象被美国物理学家密立根（Millikan，18681953年）的“密立根实验”所完全证实。时隔18年后,1923年时任美国华盛顿大学校长物理学家康普顿（Compton，18921962年），从X光的散射实验中观察到了光子和自由电子的弹性碰撞现象，从而更加证实了光具有的粒子性图形。康普顿认为光子不但具有能量，而且还具有动量。 这样在本世纪初，形成了以麦克斯韦、赫兹等人为代表的光的电磁波说，以爱因斯坦、普朗克等人为代表的光量子说,这两大学派各自统治着自己的理论领域。光的波动理论不能解释光电效应、热辐射及光压等光的粒子行为。而光的量子观点亦无法说明光的干涉、衍射及偏振等光的波动现象。关于光的本质究竟是什么？两大学说处在相互对立的矛盾之中，谁也无法将它统一起来。 四、波粒二象性 可以毫不夸张地说，自从光的波动说的诞生之日起，就有人试图努力把光的波动说和光的粒子说统一起来。如果从牛开始算起，光到底是粒子还是波？人们进行了长过三百多年的争论，可还是没有得出满意的结论。英国物理学家布拉格（W.H.Bragg，18621942年）曾戏言：“我们在星期一、三、五认为光是波，而在星期二、四、六则认为它们是粒子。” 本世纪二十年代，当人们对已经发现的所有的光现象加以总结，发现了一个有趣的现象：光在传播过程中突出地表现为波动性的一面，而光作用过程中则更多地展示出它的粒子性质。光现象既表现为波动性又表现为粒子性，人们称光的这种性质为“光的波粒二象性”。1924年，法国物理学家德布罗意（L.V.de Broglie）把光的波粒二象性观点大胆地应用到实物微粒上，他在思考既然在通常情况下表现为波动性的光会具有粒子性的性质，那么在通常情况下表现为粒子性的物质（如电子）是否也可能有波动性的性质呢？他认为：以前一个时期，特别是牛顿的微粒说被人们逐渐淡忘，只重视了光的波动性而忽视了光的粒子性。而在研究实物上可能发生了相反的情景，即过分强调了实物的粒子性，抑或根本没有想到会有波动性。德布罗意大胆地假设实物粒子也具有波动性，它的能量E的动量P与频率为及波长为的波之间的关系，应与光子和光波一样，也可以用 , 联系起来。实物粒子的波长可表达为：。等号左边是表示粒子性质的光子能量和动量p，等号右边是表示波动性质的电磁波频率和波长，而这两种性质是通过普朗克常数h联系起来，显然这种联系决不是偶然的。后人把实物粒子的波称为“物质波”，也称“德布罗意波”。 1927年美国贝尔电话实验室的戴维逊在研究电子束在晶体表面散射时，发现了电子的衍射。几乎同时，英国物理学家汤姆生也证实电子衍射的存在。这些都为德布罗意的假设提供了可靠的实验证明。这样不但光具有波动性和粒子性，而且实物粒子也同样具有这种双重性质，这是客观物质所共有的属性。人们称这种性质为“波粒二象性”。德布罗意因这项开拓性的研究成果而获得1929年的诺贝尔物理学奖。 量子力学的创始人薛定谔，用一个很严密的数学方程式，在理论上证明了波粒二象性。把波动性和粒子性的这种似乎是对立的现象，在理论上把它们较为完满地加以统一。根据海森伯的测不准原理和量子力学的统计规律描述，物质波乃是一种“几率波”。光的波粒二象性，对能够直接观察到或者能用宏观的实验仪器能够测量的光现象来说，无疑是正确的。但要问一个“光子”究竟是什么？至今还不能用一个形象的物理图形把它刻画出来，也无法用一个实验能把“理想的粒子”和“理想的波”区别开来。“粒子”和“波” 只不过是两个被简化了的物理模型，是人们用来反映光在不同的外界条件下，与物质相互作用的两个不同的侧面。从整体而言，光既不是“波”，亦不是“粒子”，更不是这样或那样的混合物。这反映出人们对客观世界的认识是无止境的，对光的本性的认识也存在着许多未知的处女地等待着后人去开发。例如随着人们对基本粒子的深入研究，发现光子在强电场中可以变成两个带相反电荷的质点，电子和正电子，正负电子互为“反物质”，即：,而正电子和负电子相遇会结合在一起会产生“湮没”现象，从而转化为一对光子： 。4 姚启钧 光学教程 高等教育出版社 1981年 422页这些现象充分地显示了光子与实物粒子间存在着某种到今人们还未知的内在联系。值得一提的是，近来有人提出了光的速度并不是不可以逾越的，也就是说物质的运动速度是可以超过光速的。如果这一假说能够得实验证实的话，那么我们不但要对光学理论需要重新作出评价，甚至对整个物理学理论特别是爱因斯坦的相对论都将是一个严重的挑战。纵观光学的发展历史，深刻地说明了人类对客观世界认知并不是一帆风顺的，人类对自然现象的认识过程是一个对真理不断探索和不断完善的过程。实践是检验真理的唯一标准。人们对自然现象的观察所积累的一些事实进行分析、比较、研究，参考已有的经验、知识或理论，提出一些假设，理论学说或物理模型。如果这个假设能够说明观察到的这些事实，甚至与进一步的实验相符，则可以从这个假设出发推断出更