光的微粒說(shuō)與波動(dòng)說(shuō),300年光學(xué)論戰(zhàn)——波動(dòng)光學(xué)時(shí)期

2021-06-21 15:19:30

1、 笛卡爾的伏筆

在人們對(duì)物理光學(xué)的研究過(guò)程中，光的性質(zhì)和光的顏色成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。笛卡爾在他的方法論的三個(gè)附錄之一“折疊光學(xué)”中提出了兩個(gè)關(guān)于光的性質(zhì)的假設(shè)。一種假設(shè)是光是一種類似粒子的物質(zhì)；另一個(gè)假設(shè)是光是一種基于“以太”的壓力。笛卡爾雖然強(qiáng)調(diào)媒介對(duì)光的影響和作用，但他的兩個(gè)假設(shè)為粒子理論和波動(dòng)理論的爭(zhēng)論奠定了基礎(chǔ)。

2、 辯論的開始

17世紀(jì)中葉，物理光學(xué)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。1655，意大利博洛尼亞大學(xué)的數(shù)學(xué)教授格里米迪在觀察放置在一根橫梁上的木棒的陰影時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)了光線的衍射。所以他認(rèn)為光可能是一種類似于水波的流體。

格里馬爾迪設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將一束光穿過(guò)一個(gè)小孔，然后光線穿過(guò)小孔照射在黑暗房間的屏幕上。他發(fā)現(xiàn)光線穿過(guò)洞后明顯變寬了。格里馬爾迪進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，他讓光束穿過(guò)兩個(gè)孔，然后擊中暗室的屏幕，然后得到了明暗條紋的圖像。他認(rèn)為這一現(xiàn)象與水波非常相似，并得出結(jié)論，光是一種可以做出波浪狀運(yùn)動(dòng)的流體，不同顏色的光是不同波頻率的結(jié)果。格里瑪最早提出“光的衍射”概念，是光波理論的最早倡導(dǎo)者。1663年，英國(guó)科學(xué)家博伊爾提出，物體的顏色不是物體本身的性質(zhì)，而是光照對(duì)物體的影響。他第一次記錄了肥皂泡和玻璃球上的彩色條紋。這一發(fā)現(xiàn)符合格里馬爾迪的理論，為以后的研究奠定了基礎(chǔ)。不久后，英國(guó)物理學(xué)家哈克通過(guò)觀察肥皂泡膜的顏色，重復(fù)了格里馬爾迪的實(shí)驗(yàn)，提出了光是以太縱波的假設(shè)。根據(jù)這個(gè)假設(shè)，胡克還認(rèn)為光的顏色是由它的頻率決定的。    光電探測(cè)器    光纖放大器   中紅外QCL激光器   MCT探測(cè)器    光電探測(cè)器    光纖放大器    中紅外QCL激光器    半導(dǎo)體激光二極管   MCT探測(cè)器

然而，在1672年，偉大的牛頓在他的論文《光與色的新理論》中談到了他的光的色散實(shí)驗(yàn)：讓太陽(yáng)光通過(guò)一個(gè)小孔照射在暗室中的棱鏡上，在對(duì)面的墻上得到一個(gè)彩色光譜。他認(rèn)為光的組合和分解就像不同顏色的粒子混合在一起并分離。在這篇文章中，他用粒子理論來(lái)描述光的顏色理論。

“光的顏色”的導(dǎo)火索引發(fā)了漲落理論和粒子理論之間的第一次爭(zhēng)論。從那時(shí)起，胡克和牛頓之間展開了一場(chǎng)漫長(zhǎng)而激烈的辯論。

3、 發(fā)展

1672年2月6日，由胡克和博伊爾組成的皇家學(xué)會(huì)委員會(huì)以胡克為主席，對(duì)牛頓的論文《光與色的新理論》持否定態(tài)度。牛頓沒(méi)有完全否定波動(dòng)理論，也不是粒子理論偏頗的支持者。但爭(zhēng)論過(guò)后，牛頓在許多論文中駁斥了胡克的漲落理論。由于當(dāng)時(shí)牛頓和胡克還沒(méi)有形成一個(gè)完整的理論，漲落理論和粒子理論的爭(zhēng)論并沒(méi)有全面展開。但科學(xué)界的爭(zhēng)論是，一旦它出現(xiàn)，就要找到一塊石頭。

哈克的觀點(diǎn)得到了波理論支持者、荷蘭著名天文學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家惠更斯的繼承和完善?；莞乖缒暝谔煳膶W(xué)、物理學(xué)和技術(shù)科學(xué)方面做出了重要貢獻(xiàn)，系統(tǒng)地研究了幾何光學(xué)。1666年，惠更斯被邀請(qǐng)到巴黎科學(xué)院學(xué)習(xí)物理光學(xué)。在擔(dān)任院士期間，惠更斯到英國(guó)旅行，并在劍橋與牛頓會(huì)面。他們彼此非常愉快，并就光的性質(zhì)交換了意見，但惠更斯的觀點(diǎn)更傾向于漲落理論，因此他和牛頓之間存在分歧。正是這種分歧激發(fā)了惠更斯對(duì)物理光學(xué)的強(qiáng)烈熱情。回到巴黎，惠更斯重復(fù)了牛頓的光學(xué)實(shí)驗(yàn)。他仔細(xì)研究了牛頓的光學(xué)實(shí)驗(yàn)和格里馬蒂實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為其中許多實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有用粒子理論來(lái)解釋。因此，他提出了較為完整的波動(dòng)理論。

惠更斯認(rèn)為光是一種機(jī)械波；光波是由物質(zhì)載體傳輸?shù)目v波，其物質(zhì)載體為“醚”；波面上的點(diǎn)是引起介質(zhì)振動(dòng)的波源。根據(jù)這一理論，惠更斯證明了光的反射和折射定律，并解釋了衍射、雙折射和著名的牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)。如果這些理論不容易理解，惠更斯又舉了一個(gè)生命的例子來(lái)反駁粒子理論。如果光是由粒子組成的，粒子在光的傳播過(guò)程中會(huì)相互碰撞，導(dǎo)致光傳播方向的改變。但事實(shí)并非如此。

惠更斯在積極宣傳波動(dòng)理論的同時(shí)，牛頓的質(zhì)點(diǎn)理論也逐漸建立起來(lái)。牛頓修改并完善了他的光學(xué)著作《光學(xué)》。牛頓在各種實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，一方面提出了反駁惠更斯光學(xué)理論的兩個(gè)理由：第一，如果光是波，它應(yīng)該能夠繞過(guò)障礙物，而不是像聲波那樣產(chǎn)生陰影；第二，冰山的雙折射現(xiàn)象表明光在不同的邊緣具有不同的性質(zhì)，漲落理論不能解釋其原因。另一方面，牛頓將他的物理粒子觀擴(kuò)展到整個(gè)自然界，并與他的粒子力學(xué)體系相結(jié)合，為粒子理論提供了有力的支持。

為了不再與胡克爭(zhēng)論，光學(xué)在胡克死后的第二年（1704年）正式發(fā)布。但惠更斯和哈克此時(shí)相繼死亡，浪潮稱沒(méi)有任何一方準(zhǔn)備戰(zhàn)斗。牛頓因其對(duì)科學(xué)界的巨大貢獻(xiàn)，成為世界上最偉大的一代科學(xué)家。隨著牛頓聲望的提高，人們崇拜他的理論，重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)，相信與他相同的結(jié)論。在整個(gè)18世紀(jì)，很少有人挑戰(zhàn)粒子，也很少有人對(duì)光的本質(zhì)做進(jìn)一步的研究。

18世紀(jì)末，在德國(guó)自然哲學(xué)的影響下，人們的思想逐漸得到解放。英國(guó)著名物理學(xué)家托馬斯·楊開始懷疑牛頓的光學(xué)理論。根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)事實(shí)，楊元慶于1800年撰寫了《光與音的實(shí)驗(yàn)與問(wèn)題》一文，對(duì)光與音進(jìn)行了比較，因?yàn)閮烧咴谥丿B后都有加強(qiáng)或減弱的現(xiàn)象。他認(rèn)為光是以太流中的彈性振動(dòng)，并指出光是以縱波的形式傳播的。他還指出，光的不同顏色和頻率是相似的。1801年，楊氏著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)被進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中使用的白色屏幕上的黑白條紋證明了光的干涉，從而證明光是一種波。同年，楊在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)《哲學(xué)雜志》上發(fā)表論文，分別對(duì)牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)和自己的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了解釋，首次提出了光的干涉概念和光的干涉定律。

1803年，楊元慶寫了他的論文《物理光學(xué)的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算》。他根據(jù)光的干涉定律進(jìn)一步解釋了光的衍射現(xiàn)象，認(rèn)為衍射是由直射光和反射光的干涉形成的。但由于他認(rèn)為光是一種縱波，所以在理論上遇到了很多麻煩。他的理論受到英國(guó)政治家布魯姆的批評(píng)，被稱為“不合邏輯”、“荒謬”和“一文不值”。

雖然楊元慶的理論及其后來(lái)的反駁沒(méi)有得到足夠的重視，甚至遭到誹謗，但他的理論引起了牛頓學(xué)派對(duì)光學(xué)研究的興趣。

1808年，拉普拉斯用粒子理論分析了光的雙折射現(xiàn)象，駁斥了楊氏波動(dòng)理論。

1809年，馬呂斯在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。在進(jìn)一步研究光在簡(jiǎn)單折射中的偏振時(shí)，他發(fā)現(xiàn)光在折射中是部分偏振的。由于惠更斯曾提出光是一種縱波，而縱波不可能有這樣的偏振，這一發(fā)現(xiàn)成為反對(duì)波動(dòng)理論的有力證據(jù)。

1811年，在研究光的偏振時(shí)，布魯斯特發(fā)現(xiàn)了光偏振的經(jīng)驗(yàn)定律。

光的偏振現(xiàn)象和偏振定律的發(fā)現(xiàn)，使波理論陷入困境，使物理光學(xué)的研究向粒子理論方向發(fā)展。

1817年，他放棄了惠更斯關(guān)于光是縱波的理論，提出了光是橫波的假設(shè)，成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象。在吸收了牛頓的一些觀點(diǎn)之后，他建立了一個(gè)新的波動(dòng)理論。楊給牛頓的阿拉戈寫了一封信，講述他的新思想。

1817年，巴黎科學(xué)院頒發(fā)了關(guān)于光干涉的最佳論文獎(jiǎng)。土木工程師菲涅爾也參與了波動(dòng)理論和質(zhì)點(diǎn)理論的爭(zhēng)論。1815年，菲涅爾試圖復(fù)興惠更斯的波動(dòng)理論，但他與楊沒(méi)有接觸。當(dāng)時(shí)，他還不知道楊關(guān)于衍射的論文。他在論文中提出，各種波的干擾使合成波具有顯著的強(qiáng)度。事實(shí)上，他的理論與楊的相反。后來(lái)，阿拉戈告訴他楊的新理論，光是一個(gè)橫波，菲涅爾開始他的研究基礎(chǔ)上，楊的理論。1819年，菲涅爾成功地完成了對(duì)兩個(gè)平面鏡產(chǎn)生的相干光源的光干涉實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)楊氏干涉實(shí)驗(yàn)，光波理論再次得到驗(yàn)證。在與菲涅爾研究了一段時(shí)間后，阿拉戈轉(zhuǎn)向漲落理論。1819年底，在菲涅爾對(duì)光的傳播方向進(jìn)行了定性實(shí)驗(yàn)之后，他和阿拉戈建立了光波橫向傳播的理論。

1882年，德國(guó)天文學(xué)家弗勞恩霍夫首次研究了光柵對(duì)光的衍射。繼他之后，另一位德國(guó)物理學(xué)家施維德根據(jù)新的光波理論成功地解釋了光通過(guò)光柵的衍射現(xiàn)象。

到目前為止，新波浪理論已經(jīng)牢固地建立起來(lái)。粒子理論正變得不利。

隨著光波理論的建立，人們開始尋找光波的載體，以太理論再次活躍起來(lái)。一些著名的科學(xué)家成為乙醚理論的代表。然而，人們?cè)趯ふ乙颐训倪^(guò)程中遇到了許多困難，各種假說(shuō)相繼提出，乙醚成為19世紀(jì)的研究熱點(diǎn)之一。

當(dāng)菲涅爾研究乙醚時(shí)，他發(fā)現(xiàn)橫波介質(zhì)應(yīng)該是一種固體。如果乙醚是一種固體，它怎能不干擾天體的自由運(yùn)動(dòng)呢。不久之后，泊松又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：如果乙醚是固體，光的橫向振動(dòng)必然存在縱向振動(dòng)，這與光波的新理論相矛盾。

為了解決各種問(wèn)題，柯西在1839年提出了乙醚的第三種理論，即乙醚是一種負(fù)可壓縮介質(zhì)。他試圖解決泊松提出的問(wèn)題。1845年，斯托克斯用石蠟、瀝青和樹膠作類比，試圖證明一些物質(zhì)有足夠的硬度來(lái)傳播橫向振動(dòng)，但也有壓縮和伸展的能力，這樣它們就不會(huì)影響天體的運(yùn)動(dòng)。

1887年，英國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜和化學(xué)家默里通過(guò)“以太漂移”實(shí)驗(yàn)否認(rèn)了以太的存在。但此后，許多科學(xué)家堅(jiān)持研究乙醚。即使在法拉第的光的電磁理論和麥克斯韋的光的電磁理論被提出之后，許多科學(xué)家仍致力于乙醚的研究。

19世紀(jì)中后期，在光的波動(dòng)理論與粒子理論的爭(zhēng)論中，波動(dòng)理論取得了決定性的勝利。然而，人們?cè)趯ふ夜獠ǖ妮d體時(shí)遇到的困難表明了波動(dòng)理論的危機(jī)。

1887年，德國(guó)科學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，再次證明了光的粒子性質(zhì)！

4、 結(jié)束

20世紀(jì)初，普朗克和愛(ài)因斯坦提出了光的量子理論。1921年，愛(ài)因斯坦因“光的波粒二象性”獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1921年康普頓證明了X射線的粒子性質(zhì)，1927年，gemmer和后來(lái)的George Thomson證明了電子束具有波的性質(zhì)。證明了氦原子射線、氫原子射線和氫分子射線具有波的性質(zhì)。

在新的事實(shí)和理論面前，光漲落理論與粒子理論的爭(zhēng)論以“波粒二象性”而告終。

光漲落理論與粒子理論的爭(zhēng)論始于17世紀(jì)初笛卡爾提出的兩個(gè)假說(shuō)，20世紀(jì)初以光波粒子的二重性而告終，至今已有300多年的歷史。許多著名的科學(xué)家，如牛頓、惠更斯、托馬斯·楊和菲涅爾，都成為爭(zhēng)論雙方的主要辯論者。正是他們的努力揭開了掩蓋“光的本質(zhì)”的混亂面紗。

反思與思考：

在物理學(xué)史上，光粒子與波的理論經(jīng)歷了300多年的大爭(zhēng)論。雙方都找到了支持自己一方的新證據(jù)和理論支撐，并不斷更多地確認(rèn)自己一方是正確的，從而更多地確認(rèn)對(duì)方是錯(cuò)誤的，批評(píng)對(duì)方的觀點(diǎn)。雙方的邏輯很簡(jiǎn)單：“因?yàn)槲覀兪菍?duì)的，你一定是錯(cuò)的?！?。300年來(lái)，爭(zhēng)論一直在上升。兩校都說(shuō)公道，母親說(shuō)母親講道理。

最后，爭(zhēng)論完全結(jié)束于20世紀(jì)愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)“光的波粒二象性”。簡(jiǎn)言之，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)他們是對(duì)的，但有一半是對(duì)的。

愛(ài)因斯坦有句名言：“自然喜歡矛盾”，這句話很深刻。

請(qǐng)不要忘記是誰(shuí)創(chuàng)造了宇宙。