闲谈光的波粒之争

1、漫谈光发展中的恩怨纠葛 To be or not to be : that is the question 光光成像成像 l在古希腊时代，人们猜想，光是一种从我们的眼睛中发射 出去的东西，当它到达某样事物的时候，这样事物就被我 们所“看见”。 l柏拉图认为有三种不同的光，分别来源于眼睛、被看到的 物体、光源本身，而视觉是三者综合作用的结果 光光成像成像 l卢克莱修（物性论）：光是从光源直接到达人眼的，但始 终不为人们接收。 l伊斯兰的阿尔.哈桑：我们之所以能够看到物体，知识由 于光从物体上反射进我们眼睛中的结果。 卢克莱修卢克莱修 阿尔阿尔.哈桑哈桑罗杰尔罗杰尔.培根培根 光的运动光的运动 欧

2、几里德欧几里德-光的反射光的反射 开普勒开普勒光的折射光的折射涅耳涅耳光的折射定律光的折射定律 费马费马 “光总是走最短的路线光总是走最短的路线”，光学，光学 作为一门物理学被正式确立起来作为一门物理学被正式确立起来 微粒说微粒说 l微粒说微粒说：光是由一粒粒非常小的“光原子”所组成的。 （这种观点一方面十分符合当时流行的元素说，另外一方面，古代的人 们除了粒子之外对别的物质形式也了解得不是太多） 微粒说微粒说 l微粒说微粒说：光是由一粒粒非常小的“光原子”所组成的。 （这种观点一方面十分符合当时流行的元素说，另外一方面，古代的人 们除了粒子之外对别的物质形式也了解得不是太多） 能用来解释的问

3、题（1）为什么光总是沿着直线前进，（2）为什么会严 格而经典的反射，（3）折射现象（可以由粒子流在不同介质里的速度变 化而得到解释） 显而易见的困难（1）两道光相互碰撞的时候不会相互弹开，（2）这些 细小的光粒子在灯亮之前隐藏在何处，（3）光粒子的数量是不是无限多 波动说波动说 笛卡儿笛卡儿 格里马第格里马第 在他方法论 的三个附录之一 折光学 中率 先提出了这样的可能：光是一种压力，在媒质里传播。 意大利的一位数学教授格里马第（ Francesco Maria Grimaldi） 做了一个实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上， 发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像。格里马第马上联

4、想 起了水波的衍射，于是提出：光可能是一种类似水波的波动，这 就是最早的光波动说。 波动说波动说 l波动说：光不是一种物质粒子，而是由于介质的振动而产 生的一种波。 波动说波动说 l波动说波动说：光不是一种物质粒子，而是由于介质的振动而产 生的一种波。 容易解释（1）投影里的明暗条纹（2）直线传播和反射（光的波长是极短的 ，在大多数情况下，光的行为犹同经典粒子一样） 基本的难题：既然波本身是介质的振动，那它必须在某种介质中才能够传递。 而光则不然，它似乎不需要任何媒介就可以任意地前进。 波动说波动说 l但是波动说巧妙地摆脱了这个难题：它假设了一种看不见 摸不着的介质来实现光的传播，这种介质有一

5、个十分响亮 而让人印象深刻的名字，叫做“以太”（ Aether） 。 波动说作为一种新兴的理论，迅速发展与微粒平分秋色，格 里马第的光衍射实验是最好的说明。但它却拖着一个沉重的 包袱-以太的假设，这个凭空想象出来的媒介。 第一次波粒战争第一次波粒战争 导火索：在1663年提出的一个理论我们看到 的各 种颜色，其实并不是物体本身的属性，而是光照上去才产生 的效果。从而对颜色属性的激烈争论。 波义耳波义耳 格里马第格里马第 认为：颜色的不同是因为光波频率的不同引起的。 l罗伯特罗伯特胡克胡克：观察了光在肥皂泡里映射出的 色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉。根据他 的判断,光必定是某种快速的脉冲,于

6、是他在1665 年出版的 显微术 （ Micrographia） 一书中 明确地支持波动说。 罗伯特罗伯特胡克胡克 显微术 是一本划时代的伟大著作，它很快为胡克赢得了世界 性的学术声誉，波动说由于这位大将的加入，似乎也在一时占了 上风。 第一次波粒战争第一次波粒战争 第一次波粒战争第一次波粒战争 在1666年，牛顿在家休假期间用三棱镜进行了 著名的色散试验。 (1)由此发现了白光是由各种不同颜色的光组成的。 (2)牛顿又设法将几种不同的单色光合成白光，并 且计算出不同颜色光的折射率， 结论结论：物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不 同的反射率和折射率造成的。 公元1672年，牛顿把自己的研究成

7、果发表在皇 家学会哲学杂志上 艾萨克艾萨克牛顿牛顿 光的光的色散色散 第一次波粒战争第一次波粒战争 然而牛顿的理论里，光的复合和分解被比喻成不同颜色微 粒的混合和分开。他的文章被交给一个三人评议会审阅，胡 克和波义耳正是这个评议会的成员，胡克对此观点进行了激 烈的抨击。 l胡克：牛顿论文中正确的部分（也就是色彩的复合） 是 窃取了他1665年的思想，而牛顿“原创”的微粒说则不值 一提，仅仅是“假说”而已。 这个批评虽然不能说是全无道理，但很可能只是胡克想给牛顿来一 个下马威。作为当时在光学和仪器方面独一无二的权威，胡克显然 没把牛顿这个毛头小伙放在眼里，他后来承认说，自己只花了34 小时来阅读

8、牛顿的文章。 第一次波粒战争第一次波粒战争 牛顿大概有生以来都没见过这样直截了当的 批评，他勃然大怒。 在R.S.Westfall那本名扬四海的牛顿传记 Never at Rest中描述道：“牛顿实际上 用胡克的名字串起了一首叠句诗”。 （花了整整4个月时间写了一篇洋洋洒洒的长文，在每一点 上都进行了反驳。胡克惨遭炮轰，他的名字出现在第一句里 ，出现在最后一句里，在中间更出现了25次以上 ） 第一次波粒战争第一次波粒战争 就这样，胡克大言不惭在前，牛顿恶语相讥于后，两个 人都格外敏感且心胸狭窄，最终不可避免地成为毕生的死敌 。 牛顿的狂怒并没有就此平息，他对每一个批评都报以挑 衅性的回复，包括

9、用词谨慎的惠更斯在内。他撤回了所有原 本准备在皇家学会发表的文章，到了1673年3月，他甚至在 一封信里威胁说准备退出学会。 第一次波粒战争第一次波粒战争 l其实在此之前，牛顿的观点还是在微粒和波动之间有所摇 摆的，并没有完全否认波动说。在牛顿最初的理论中，微 粒只是一个临时的方便假设而已，根本不是主要论点 l即使在胡克最初的批评之后，牛顿还是作出了一定的妥协 ，给波动说提出了一些非常重要的改进意见。但在此之后 ，牛顿与胡克的关系进一步恶化，他最终开始一面倒地支 持微粒说。 第一次波粒战争第一次波粒战争 l一方面因为胡克的名气，另一方面也因为牛顿的注意力更 多地转移到了别的方面，牛顿当时仍然没

10、有正式地全面论 证微粒说（只是在几篇论文中反驳了胡克） 。而胡克被 牛顿激烈的言辞吓了一跳，也暂且鸣金收兵。 荷兰物理学家惠更斯（ Christiaan Huygens） 登上舞台，他继承了胡克的思想，认为光是一 种在以太里传播的纵波，成功地证明和推导了 光的反射和折射定律。成为了波动说的主将。 1690年，惠更斯的著作年，惠更斯的著作 光论光论 （ Traite de la Lumiere） 出版，出版， 标志标志着波动说在这个阶段到达了一个着波动说在这个阶段到达了一个兴盛兴盛的顶点。的顶点。 Christiaan Huygens 第一次波粒战争第一次波粒战争 l接着胡克于1703年众叛亲离

11、地死去，第二年，也就是 1704年，牛顿终于出版了他的煌煌巨著 光学。 牛顿在介绍中写道：“为了避免在这些事情上引起争论，我推迟了这本书的付梓 时间。而且要不是朋友们一再要求，还将继续推迟下去。” l 光学 是一本划时代的作品，几乎可以与 原理 并 列的伟大杰作，在之后整整100年内，它都被奉为不可动 摇的金科玉律。 第一次波粒战争就这样以波动的惨败而告终，战争 的结果是微粒说牢牢占据了物理界的主流。 闲话：牛顿与胡克闲话：牛顿与胡克 l胡克和牛顿在历史上也算是一对欢喜冤家。除了关于光本 性的争论之外，他们之间还有一个争执，那就是万有引力 的平方反比定律（ ISL） 究竟是谁发明的问题。 l牛

12、顿：他竟然把引力看成不随距离而变化的常量，并认为 物体下落是一个圆螺线。 l胡克：纠正了他的错误，并在年份1月6日的信中假设引力 大小是与距离的平方成反比的。胡克把牛顿的错误捅到了 皇家学会那里，这使得牛顿极为光火，新仇旧恨，成为终 生的对手。 闲话：牛顿与胡克闲话：牛顿与胡克 l 原理 发表后，胡克要求牛顿承认他对于平方反比定 律发现的优先权，在前言里提及一下。 l牛顿再次狂怒：他暴跳如雷，从 原理 里面删掉了绝 大多数有关胡克的引用，剩下不多的，用词也从“非常尊 敬的胡克先生”变成了简单的“胡克”两个字。他是如此 怒气冲天，甚至拒绝出版 原理 第三卷。 胡克的成就胡克的成就 l 显微术 更是17