光的本質(zhì)波動說與微粒說的交鋒.doc

光的本質(zhì)波動說與微粒說的交鋒 十七世紀初，在天文學和解剖學等相關學科的推動下，并伴隨著光學儀器的發(fā)明和制造，光學這一曾經(jīng)神秘的領域也被卓越的科學探秘者開拓出了一塊醒目的空間到十七世紀末，光學已經(jīng)成為了物理學的一個重要分支，是物理學中應用最為廣泛的一個部門 其中，幾何光學的發(fā)展最為迅速，由荷蘭數(shù)學家斯涅爾發(fā)現(xiàn)的準確的折射定律對于光學儀器的改進具有首要意義，并為研究整個光學系統(tǒng)提供了計算的可能隨著幾何光學的發(fā)展，物理光學的研究也開始起步在人們對物理光學的研究過程中，光的本性問題和光的顏色問題成為焦點關于光的本性問題，笛卡兒在他方法論的三個附錄之一折光學中提出了兩種假說一種假說認為，光是類似于微粒的一種物質(zhì)；另一種假說認為光是一種以“以太”為媒質(zhì)的壓力雖然笛卡兒更強調(diào)媒介對光的影響和作用，但他的這兩種假說已經(jīng)為后來的微粒說和波動說的爭論埋下了伏筆（一）胡克與牛頓的交鋒十七世紀中期，物理光學有了進一步的發(fā)展1655年，意大利波侖亞大學的數(shù)學教授格里馬第在觀測放在光束中的小棍子的影子時，首先發(fā)現(xiàn)了光的衍射現(xiàn)象據(jù)此他推想光可能是與水波類似的一種流體格里馬第設計了一個實驗：讓一束光穿過一個小孔，讓這束光穿過小孔后照到暗室里的一個屏幕上他發(fā)現(xiàn)光線通過小孔后的光影明顯變寬了格里馬第進行了進一步的實驗，他讓一束光穿過兩個小孔后照到暗室里的屏幕上，這時得到了有明暗條紋的圖像他認為這種現(xiàn)象與水波十分相像，從而得出結論：光是一種能夠作波浪式運動的流體，光的不同顏色是波動頻率不同的結果格里馬第第一個提出了“光的衍射”這一概念，是光的波動學說最早的倡導者格里馬第1663年逝世，他的重要發(fā)現(xiàn)在1665年出版的書中進行了描述1663年，英國科學家波義耳提出了物體的顏色不是物體本身的性質(zhì)，而是光照射在物體上產(chǎn)生的效果他第一次記載了肥皂泡和玻璃球中的彩色條紋這一發(fā)現(xiàn)與格里馬第的說法有不謀而合之處，為后來的研究奠定了基礎不久后，英國物理學家胡克重復了格里馬第的試驗，并通過對肥皂泡膜的顏色的觀察提出了“光是以太的一種縱向波”的假說根據(jù)這一假說，胡克也認為光的顏色是由其頻率決定的然而1672年，偉大的牛頓在他的論文關于光和色的新理論中談到了他所作的光的色散實驗：讓太陽光通過一個小孔后照在暗室里的棱鏡上，在對面的墻壁上會得到一個彩色光譜他認為，光的復合和分解就像不同顏色的微?；旌显谝黄鹩直环珠_一樣在這篇論文里他用微粒說闡述了光的顏色理論第一次波動說與粒子說的爭論由“光的顏色”這根導火索引燃了從此胡克與牛頓之間展開了漫長而激烈的爭論1672年2月6日，以胡克為主席，由胡克和波義耳等組成的英國皇家學會評議委員會對牛頓提交的論文關于光和色的新理論基本上持以否定的態(tài)度牛頓開始并沒有完全否定波動說，也不是微粒說偏執(zhí)的支持者但在爭論展開以后，牛頓在很多論文中對胡克的波動說進行了反駁1675年12月9日，牛頓在說明在我的幾篇論文中所談到的光的性質(zhì)的一個假說一文中，再次反駁了胡克的波動說，重申了他的微粒說由于此時的牛頓和胡克都沒有形成完整的理論，因此波動說和微粒說之間的論戰(zhàn)并沒有全面展開但科學上的爭論就是這樣，一旦產(chǎn)生便要尋個水落石出舊的問題還沒有解決，新的爭論已在醞釀之中了（二）牛頓與惠更斯的交鋒波動說的支持者，荷蘭著名天文學家、物理學家和數(shù)學家惠更斯繼承并完善了胡克的觀點惠更斯早年在天文學、物理學和技術科學等領域做出了重要貢獻，并系統(tǒng)的對幾何光學進行過研究1666年，惠更斯應邀來到巴黎科學院以后，并開始了對物理光學的研究在他擔任院士期間，惠更斯曾去英國旅行,并在劍橋會見了牛頓二人彼此十分欣賞，而且交流了對光的本性的看法，但此時惠更斯的觀點更傾向于波動說，因此他和牛頓之間產(chǎn)生了分歧正是這種分歧激發(fā)了惠更斯對物理光學的強烈熱情回到巴黎之后，惠更斯重復了牛頓的光學試驗他仔細的研究了牛頓的光學試驗和格里馬第實驗，認為其中有很多現(xiàn)象都是微粒說所無法解釋的因此，他提出了波動學說比較完整的理論惠更斯認為，光是一種機械波；光波是一種靠物質(zhì)載體來傳播的縱向波，傳播它的物質(zhì)載體是“以太”；波面上的各點本身就是引起媒質(zhì)振動的波源根據(jù)這一理論，惠更斯證明了光的反射定律和折射定律，也比較好的解釋了光的衍射、雙折射現(xiàn)象和著名的“牛頓環(huán)”實驗如果說這些理論不易理解，惠更斯又舉出了一個生活中的例子來反駁微粒說如果光是由粒子組成的，那幺在光的傳播過程中各粒子必然互相碰撞，這樣一定會導致光的傳播方向的改變而事實并非如此1678年，惠更斯向巴黎科學院提交了他的光學論著光論在光論一書中，他系統(tǒng)的闡述了光的波動理論同年，惠更斯發(fā)表了反對微粒說的演說 1690年，光論出版發(fā)行就在惠更斯積極的宣傳波動學說的同時，牛頓的微粒學說也逐步的建立起來了牛頓修改和完善了他的光學著作光學基于各類實驗，在光學一書中，牛頓一方面提出了兩點反駁惠更斯的理由：第一，光如果是一種波，它應該同聲波一樣可以繞過障礙物、不會產(chǎn)生影子；第二，冰洲石的雙折射現(xiàn)象說明光在不同的邊上有不同的性質(zhì)，波動說無法解釋其原因另一方面，牛頓把他的物質(zhì)微粒觀推廣到了整個自然界，并與他的質(zhì)點力學體系融為一體，為微粒說找到了堅強的后盾為不與胡克再次發(fā)生爭執(zhí)，胡克去世后的第二年（1704年）光學才正式公開發(fā)行但此時的惠更斯與胡克已相繼去世，波動說一方無人應戰(zhàn)而牛頓由于其對科學界所做出的巨大的貢獻，成為了當時無人能及一代科學巨匠隨著牛頓聲望的提高，人們對他的理論頂禮膜拜，重復他的實驗，并堅信與他相同的結論整個十八世紀，幾乎無人向微粒說挑戰(zhàn)，也很少再有人對光的本性作進一步的研究這是否意味著波動說永久的沉默呢？（三）波動說的勝利充滿危機十八世紀末，在德國自然哲學思潮的影響下，人們的思想逐漸解放英國著名物理學家托馬斯楊開始對牛頓的光學理論產(chǎn)生了懷疑根據(jù)一些實驗事實，楊氏于1800年寫成了論文關于光和聲的實驗和問題在這篇論文中，楊氏把光和聲進行類比，因為二者在重迭后都有加強或減弱的現(xiàn)象，他認為光是在以太流中傳播的彈性振動，并指出光是以縱波形式傳播的他同時指出光的不同顏色和聲的不同頻率是相似的在經(jīng)過百年的沉默之后，波動學說終于重新發(fā)出了它的吶喊；光學界沉悶的空氣再度活躍起來1801年，楊氏進行了著名的楊氏雙縫干涉實驗實驗所使用的白屏上明暗相間的黑白條紋證明了光的干涉現(xiàn)象，從而證明了光是一種波同年，楊氏在英國皇家學會的哲學會刊上發(fā)表論文，分別對“牛頓環(huán)”實驗和自己的實驗進行解釋，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律1803年，楊氏寫成了論文物理光學的實驗和計算他根據(jù)光的干涉定律對光的衍射現(xiàn)象作了進一步的解釋，認為衍射是由直射光束與反射光束干涉形成的雖然這種解釋不完全正確，但它在波動學說的發(fā)展史上有著重要意義 1804年，這篇論文在哲學會刊上發(fā)表1807年，楊氏把他的這些實驗和理論綜合編入了自然哲學講義但由于他認為光是一種縱波，所以在理論上遇到了很多麻煩他的理論受到了英國政治家布魯厄姆的尖刻的批評，被稱作是“不合邏輯的”、“荒謬的”、“毫無價值的”雖然楊氏的理論以及后來的辯駁都沒有得到足夠的重視、甚至遭人毀謗，但他的理論激起了牛頓學派對光學研究的興趣1808年，拉普拉斯用微粒說分析了光的雙折射線現(xiàn)象，批駁了楊氏的波動說1809年，馬呂斯在試驗中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象在進一步研究光的簡單折射中的偏振時，他發(fā)現(xiàn)光在折射時是部分偏振的因為惠更斯曾提出過光是一種縱波，而縱波不可能發(fā)生這樣的偏振，這一發(fā)現(xiàn)成為了反對波動說的有利證據(jù)1811年，布呂斯特在研究光的偏振現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗定律光的偏振現(xiàn)象和偏振定律的發(fā)現(xiàn)，使當時的波動說陷入了困境，使物理光學的研究更朝向有利于微粒說的方向發(fā)展面對這種情況，楊氏對光學再次進行了深入的研究，1817年，他放棄了惠更斯的光是一種縱波的說法，提出了光是一種橫波的假說，比較成功的解釋了光的偏振現(xiàn)象吸收了一些牛頓派的看法之后，他又建立了新的波動說理論楊氏把他的新看法寫信告訴了牛頓派的阿拉戈1817年，巴黎科學院懸賞征求關于光的干涉的最佳論文土木工程師菲涅耳也卷入了波動說與微粒說之間的紛爭在1815年菲涅耳就試圖復興惠更斯的波動說，但他與楊氏沒有聯(lián)系，當時還不知道楊氏關于衍射的論文，他在自己的論文中提出是各種波的互相干涉使合成波具有顯著的強度事實上他的理論與楊氏的理論正好相反后來阿拉戈告訴了他楊氏新提出的關于光是一種橫波的理論，從此菲涅耳以楊氏理論為基礎開始了他的研究1819年，菲涅耳成功的完成了對由兩個平面鏡所產(chǎn)生的相干光源進行的光的干涉實驗，繼楊氏干涉實驗之后再次證明了光的波動說阿拉戈與菲涅耳共同研究一段時間之后，轉(zhuǎn)向了波動說1819年底，在非涅耳對光的傳播方向進行定性實驗之后，他與阿拉戈一道建立了光波的橫向傳播理論1882年，德國天文學家夫瑯和費首次用光柵研究了光的衍射現(xiàn)象在他之后，德國另一位物理學家施維爾德根據(jù)新的光波學說，對光通過光柵后的衍射現(xiàn)象進行了成功的解釋至此，新的波動學說牢固的建立起來了微粒說開始轉(zhuǎn)向劣勢（四）新的理論隨著光的波動學說的建立，人們開始為光波尋找載體，以太說又重新活躍起來一些著名的科學家成為了以太說的代表人物但人們在尋找以太的過程中遇到了許多困難，于是各種假說紛紛提出，以太成為了十九世紀的眾焦點之一菲涅耳在研究以太時發(fā)現(xiàn)的問題是，橫向波的介質(zhì)應該是一種類固體，而以太如果是一種固體，它又怎幺能不干擾天體的自由運轉(zhuǎn)呢不久以后泊松也發(fā)現(xiàn)了一個問題：如果以太是一種類固體，在光的橫向振動中必然要有縱向振動，這與新的光波學說相矛盾為了解決各種問題，1839年柯西提出了第三種以太說，認為以太是一種消極的可壓縮性的介質(zhì)他試圖以此解決泊松提出的困難1845年，斯托克斯以石蠟、瀝青和膠質(zhì)進行類比，試圖說明有些物質(zhì)既硬得可以傳播橫向振動又可以壓縮和延展因此不會影響天體運動1887年，英國物理學家麥克爾遜與化學家莫雷以“以太漂流”實驗否定了以太的存在但此后仍不乏科學家堅持對以太的研究甚至在法拉第的光的電磁說、麥克斯韋的光的電磁說提出以后，還有許多科學家潛心致力于對以太的研究十九世紀中后期，在光的波動說與微粒說的論戰(zhàn)中，波動說已經(jīng)取得了決定性勝利但人們在為光波尋找載體時所遇到的困難，卻預示了波動說所面臨的危機1887年，德國科學家赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應，光的粒子性再一次被證明！二十世紀初，普朗克和愛因斯坦提出了光的量子學說1921年，愛因斯坦因為光的波粒二象性這一成就而獲得了諾貝爾物理學獎1921年，康普頓在試驗中證明了X射線的粒子性1927年，杰默爾和后來的喬治湯姆森在試驗中證明了電子束具有波的性質(zhì)同時人們也證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線具有波的性質(zhì)在新的事實與理論面前，光的波動說與微粒說之爭以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕光的波動說與微粒說之爭從十七世紀初笛卡兒