光的認(rèn)識(shí)歷史

1、【必讀】偉大卓絕的物理接力賽-光的認(rèn)知?dú)v史！小時(shí)候，老師說(shuō)物理像光，可以照亮無(wú)知的黑暗。那什么是光？波粒二象性（wave-particle duality）的爭(zhēng)論，便是一場(chǎng)持橫跨千年，扣人心弦的接力。中斷，領(lǐng)先，反超，言和，每棒接力都無(wú)比激動(dòng)人心！第一棒公元前五世紀(jì)，希臘先哲們就開(kāi)始解釋什么是光。恩培多克勒（empedocles）認(rèn)為世間萬(wàn)物有四種元素組成，水，火，土，空氣（五行學(xué)說(shuō)表示已侵權(quán)60%）。在下和這位同學(xué)也是有一些共同點(diǎn)的，比如女神控。這位同學(xué)認(rèn)為，美麗的女神阿佛洛狄忒（aphrodite）用這四種物質(zhì)創(chuàng)造了人眼，并且在人眼里面放火，然后眼睛發(fā)射出光線了，就像閃光燈一樣，于是人類(lèi)有

2、了視覺(jué)。有人就問(wèn)了，“哎哎，照您這么說(shuō)，那我晚上白天應(yīng)該看什么都能看清呀，女神晚上不在我眼睛里放火嗎？女神呢？還我女神？”恩培多克勒想了想，告訴這些無(wú)知群眾，其實(shí)呀，眼睛里面發(fā)射出來(lái)的光和其他地方發(fā)出的光是有互動(dòng)的，互動(dòng)好了你才能看見(jiàn)。人民群眾似乎安靜了一百來(lái)年。恩培多克勒作為第一棒，奠定了正確的方向，接力賽朝著正確的方向開(kāi)始了。第二棒公元前300年前后，一個(gè)大牛歐幾里得（）就開(kāi)始下一輪攻擊了?！靶切请x我們遠(yuǎn)不遠(yuǎn)，遠(yuǎn)吧。那我晚上為什么一閉眼然后再睜眼，就能看見(jiàn)星星呢？難道光傳播速度超級(jí)快嗎？難道你提前兩千年就預(yù)測(cè)到光在真空中以3*108m/s傳播嗎？”成噸的問(wèn)題問(wèn)完之后，歐幾里得什么人，幾何之

3、父呀，分分鐘大筆一揮，反射公式就被他用幾何公式寫(xiě)下來(lái)了。大牛的權(quán)威讓世界安靜了二百多年。歐幾里得的賽程里，接力棒不緊不慢，矯健的步伐讓這場(chǎng)接力賽順利地繼續(xù)著。第三棒公元前55年，盧克萊修（titus lucretius caru）表示希臘原子論簡(jiǎn)直不能更正確。然后，這位同學(xué)表示，“太陽(yáng)的光和熱都是由微小原子組成?！?本人覺(jué)得這句還比較符合當(dāng)時(shí)的認(rèn)知水平，可是他還說(shuō)了另一句，簡(jiǎn)直就是預(yù)言帝呀“太陽(yáng)光發(fā)射后將沒(méi)有損耗地穿過(guò)空氣介質(zhì)背離光源前進(jìn)”。說(shuō)吧，你是不是穿越回去的，一看就是上高中物理課的時(shí)候?qū)憯?shù)學(xué)作業(yè)了。盧克萊修的認(rèn)知水平已經(jīng)接近近代量子力學(xué)，可是在他那個(gè)年代，并沒(méi)有多少人覺(jué)得他說(shuō)的對(duì)。歐洲

4、似乎就消停了，畢竟中世紀(jì)就是黑歷史。盧克萊德倒下了，接力棒被重重地摔在地上，塵埃漸漸落下，痛苦的表情中更多的是懷才不遇的無(wú)奈，盧克萊德飲恨離開(kāi)了跑道。這場(chǎng)接力，也因此沉寂。第四棒勒內(nèi)笛卡兒 (ren descartes)不光研究代數(shù)和幾何，也研究了光。他認(rèn)為光就是一種波，他靠這個(gè)解釋了折射現(xiàn)象，畢竟幾何學(xué)不是白學(xué)的，然后，矯正視力的透鏡就被他設(shè)計(jì)出來(lái)了。經(jīng)過(guò)幾百年，這個(gè)設(shè)計(jì)還穩(wěn)穩(wěn)地站在我的鼻梁上，讓在我眼鏡焦距之外的電腦屏幕清楚地呈現(xiàn)在我的視網(wǎng)膜上。但是人無(wú)完人，他對(duì)光在不同介質(zhì)中的傳播速度的解釋并不正確，他認(rèn)為光速和傳播媒介的密度成正比。偉大的人也會(huì)犯小錯(cuò)誤，從現(xiàn)在開(kāi)始，真相已經(jīng)不遠(yuǎn)了，加油

5、，笛卡爾，握緊接力棒，接力已經(jīng)中斷上千年，雖然有失誤，但你已經(jīng)很出色了。精彩的比賽就在你的下一棒！第五棒皮埃爾伽桑狄（pierre gassendi）在17世紀(jì)闡述了自己的光粒子假設(shè)。格里馬爾迪（francesco grimaldi）也已經(jīng)觀察到了衍射現(xiàn)象，想想一下，光通過(guò)一個(gè)小孔就可以照亮一大片，怎么可能是粒子，必須得是波呀。艾薩克牛頓（issac newton） （插嘴，這個(gè)英文名不是復(fù)制粘貼的，畢竟是真牛）在早年研究了這個(gè)假設(shè)，還順便踩了一下笛卡爾的肩膀，比較過(guò)后更傾向于笛卡爾提出的實(shí)空理論（theory of the plenum），這個(gè)理論表明“光是由光源向四面八方發(fā)射的微粒組成”。

6、牛頓堅(jiān)持光的粒子性，最有力的論據(jù)就是光沿著直線傳播，根本繞不開(kāi)任何物體。（在牛頓的年代，其實(shí)可以讓光繞過(guò)的東西很多，比如針頭。）羅伯特胡克（robert hooke）在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)公開(kāi)反對(duì)牛頓的光粒學(xué)說(shuō)，堅(jiān)持波動(dòng)理論，牛頓所著光學(xué)一書(shū)直至胡克去世才得以發(fā)表。（兩人因此結(jié)仇，有學(xué)者認(rèn)為牛頓名言，“如果我看得遠(yuǎn)一些，那是因?yàn)槲艺驹诹司奕说募绨蛏??！庇谐爸S胡克身材矮小的可能。）牛頓憑借著強(qiáng)壯的力量越跑越快，但是偉人光芒讓他迷失了方向。他企圖用加速度和萬(wàn)有引力解釋光的折射現(xiàn)象，笛卡爾的光速和傳播媒介的密度成正比的觀點(diǎn)已經(jīng)偏離實(shí)際，牛頓又用光進(jìn)入高密度介質(zhì)時(shí)所受引力更大使光加速，來(lái)解釋折射，錯(cuò)上加錯(cuò)。但

7、是格里馬爾迪的觀察現(xiàn)象又不得不讓牛頓作出妥協(xié)。蒸汽時(shí)代來(lái)了，我們有了新的動(dòng)力，竟還是不理解光，我們可以的，咬緊牙關(guān)，我們會(huì)勝利的。第五棒的選手們，你們已經(jīng)更接近勝利了，牛頓或許漸行漸遠(yuǎn)。格里馬爾迪，胡克，你們已經(jīng)快把他帶回正軌了，拉緊他，終點(diǎn)不遠(yuǎn)了。堅(jiān)持住，你們可以的。第六棒托馬斯楊(thomas young)作出了雙縫干涉，光就是波，一些特殊點(diǎn)上波會(huì)互相加強(qiáng)，也有減弱的地方?？死锼沟侔不莞梗╟hristiaan huygens）和奧古斯丁菲涅耳(augustin fresnel)提出了惠更斯-菲涅耳原理（huygensfresnel principle）之后，互相影響過(guò)的波還會(huì)繼續(xù)互相影響

8、。光為何像前傳播，光為何衍射都被解釋了。1845年，邁克爾法拉第（michael faraday）發(fā)現(xiàn)了當(dāng)偏振光穿過(guò)施加了磁場(chǎng)的透明介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生偏振旋。橫波，橫波！我們做到了！光是波，是電磁振動(dòng)。是呀，你做到了，電氣時(shí)代了，我們已經(jīng)可以千里傳音了，我們馬上就可以真正了解光了。一根繩子的振動(dòng)可以輕松的通過(guò)一個(gè)窄門(mén)，只要振動(dòng)方向和窄門(mén)平行，如果振動(dòng)方向和窄門(mén)相交，波就會(huì)被阻斷。光就像繩子上的波，磁場(chǎng)可以改變繩子上的波振動(dòng)方向。兩個(gè)時(shí)代的交接，謝謝你，法拉第，跑起來(lái)，氣喘吁吁不是筋疲力盡，而是看到終點(diǎn)曙光的欣喜若狂！第七棒詹姆斯馬克士威（james clerk maxwell）發(fā)現(xiàn)了自生電磁波會(huì)以

9、恒定速度傳播，而且這個(gè)速度恰好等于光速，光可能是一種電系波吧？(heinrich hertz)收到了麥克斯韋的信，繼續(xù)向前摸索。實(shí)驗(yàn)中，赫茲觀察到了裝置發(fā)射和接收的電磁波！赫茲，我們做到了，光就是波。終點(diǎn)到了，歡呼吧，盡情歡呼吧！波動(dòng)派贏了，光是波。光速在真空中恒定不變，愛(ài)因斯坦用它打開(kāi)了相對(duì)論的大門(mén)，經(jīng)典物理的時(shí)代終結(jié)了。牛頓錯(cuò)了，大錯(cuò)特錯(cuò)，真理在我們手中。無(wú)線電通信開(kāi)始了，數(shù)學(xué)家們會(huì)此注入無(wú)限生機(jī)，有線電話已經(jīng)過(guò)時(shí)。無(wú)線電的天空由我們主宰，艾倫圖靈，蒂姆伯納斯，溫頓瑟夫，比爾蓋茨，史蒂夫喬布斯這些名字因?yàn)槟汩_(kāi)始熠熠生輝！在勝利者的微笑中，赫茲走向了另一條賽道。為什么，赫茲，你又傳出了接力棒

10、？只因?yàn)楹掌澃l(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，光束照射下的金屬會(huì)發(fā)射電子。短暫的歡喜之后，或許，我們錯(cuò)了。第八棒另一條賽道上，一隊(duì)人馬還在繼續(xù)，赫茲的接力棒又開(kāi)始傳遞！馬克斯普朗克(max karl ernst ludwig planck)發(fā)現(xiàn)了黑體在平衡狀態(tài)下發(fā)射光譜規(guī)律。諧振子吸收或者發(fā)出的電磁波能量可以被量化，對(duì)這就是量子！普朗克，快，對(duì)手們也在幫助你，愛(ài)因斯坦已經(jīng)來(lái)了。第九棒愛(ài)因斯坦解釋了光電效應(yīng)，光的能量并非均勻分布，而是由光子承載，而光子的能量和光的頻率有關(guān)。光就是一束量子！只要頻率足夠大，就可以讓金屬發(fā)出光電子。光也是粒子！羅伯特密立根(robert millikan)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了愛(ài)因斯坦的理論

11、。愛(ài)因斯坦因此拿到了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。（私貨：愛(ài)因斯坦?fàn)敔數(shù)锚?jiǎng)不是因?yàn)閷?xiě)了相對(duì)論，更不是因?yàn)榘裘绹?guó)造出了核彈）還記得19世紀(jì)的最后一天，開(kāi)爾文勛爵（william thomson, 1st baron kelvin）無(wú)可奈何地承認(rèn)經(jīng)典物理之上的兩朵烏云。多少人前赴后繼，只為追求完美的物理，卻都在陰霾中迷失了方向。今天，云開(kāi)霧散，一個(gè)新的世界量子物理向我們敞開(kāi)了大門(mén)。比賽結(jié)束了，兩隊(duì)都到了終點(diǎn)。氣喘吁吁中相顧一笑，你我都是勝者！千年來(lái)的爭(zhēng)論并沒(méi)有孰是孰非！光是粒子，也是波！愛(ài)因斯坦把接力棒投向了觀眾席。第十棒路易德布羅意(louis de broglie)建起了接力棒，不只是光，所有物質(zhì)都可以同時(shí)是粒子和波?。╬s這哥們沒(méi)在運(yùn)動(dòng)員序列里，沒(méi)人鳥(niǎo)他，寫(xiě)這篇論文的時(shí)候只是為了畢業(yè)，導(dǎo)師們都聽(tīng)不懂他在“胡扯”什么。他一個(gè)愣頭青就找到了愛(ài)因斯坦大爺，老爺子聽(tīng)懂了之后，他一步一跳地找到導(dǎo)師，贊成的導(dǎo)師們以微弱優(yōu)勢(shì)讓這個(gè)小哥畢業(yè)。這個(gè)故事一直激勵(lì)著我，面對(duì)不解，堅(jiān)持，總會(huì)有人理解。）喬治湯姆(george thomson)與克林頓戴維森(clinton davisson)，雷斯特革末(lester germer)分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了德布羅意的猜想，電子也可以像光子一樣繞射！比賽已經(jīng)