波粒二象性發(fā)展

1、<<從辯證唯物主義觀點談光的波粒二象性>>高中物理課本中“光的波粒二象性”一節(jié)中作為對“光的本性”一章的概括性總結(jié)，寥寥五百多字將光的本性勾勒得淋漓盡致，不得不讓人嘆服做作者的物理造詣與文字功力。但要說服學生接受光既是一種波又是一種粒子無異于在說同一個人既是男人又是女人一樣讓人難以接受，筆者在從事物理教學過程中曾嘗試在概括光的干涉、衍射及光電效應等主要內(nèi)容的同時，用馬克思辨證唯物主義的觀點作進一步闡釋，收效甚佳。下面將自己對于光的“波粒二象性”的辨證唯物主義分析的拙見羅列如下，供同行賜教。 一、 微粒說和波動說的長期斗爭 以牛頓為代表的微粒說認為光是微粒流，從光源發(fā)生，

2、在均勻介質(zhì)中遵守力學規(guī)律作勻速運動，對于光的反射則用彈性球的反跳來解釋，對光的折射則用介質(zhì)的吸引來闡釋，另外牛頓還對光的色散、衍射等現(xiàn)象也作出解釋，盡管有些十分牽強，尤其是對光的衍射、色散、干涉的解釋。 惠更斯是波動說的代表。他從波陣面的觀點出發(fā)，認為將光振動看作在一種特殊介質(zhì)“以太”中傳播的彈性脈動，而“以太”這種介質(zhì)則充滿了宇宙的全部空間，這便是著名的“惠更斯原理”。在惠更斯原理中，他未提出波長的概念，因而對光的直線傳播的解釋十分勉強，而且無法解釋偏振現(xiàn)象，對光的色散現(xiàn)象更是束手無策。牛頓對經(jīng)典力學的建立作出了空前絕后的貢獻，這就很容易使人們用經(jīng)典力學中機械論的觀點去理解光的本性，而惠更斯

3、的波動學說盡管對光的干涉、衍射的解釋還比較完美，但其理論構(gòu)架本身還很粗糙，在許多方面還不夠完善，但由于牛頓在物理學界的泰斗地位因而在19世紀長達100多年的時間里，微粒說一直占有主導地位。 值得一提的是，牛頓并未從根本上否定微粒學說，他曾多次提到光可能是一種震動并與聲音相類比，他說當光投射到一個物體上時，可能會引起物體中以太粒子的震動，就好象投入水中的石塊在水面激起波紋一樣，并設想可能正是由于這種波引起干涉現(xiàn)象。但總的來看，他仍對波動說持否定態(tài)度。二、光的波粒二象性所包含的辯證唯物主義思想：1、光的波動說與粒子說都是唯物主義的世界觀：無論是波動說還是粒子說，他們對光現(xiàn)象的認識都是建立在物質(zhì)第一

4、性的原則基礎上的，牛頓也罷，惠更斯也罷，在對光的本性的認識上都未提出凌駕于客觀存在以外的任何事物，都承認光的客觀存在性，因而都是百分之百的唯物主義。在這一點上兩者終于走到一起，可謂殊途同歸。2、“光的波粒二象性”建立的過程實際上是“辯證法”和“形而上學”在方法論領域的斗爭結(jié)果：光的干涉、衍射等現(xiàn)象以無可辯駁的事實證明了光的波動理論的正確性，而光電效應的發(fā)現(xiàn)則為光的粒子說奠定了堅實的基礎，但令人遺憾的是，波動說和粒子說都試圖用自己的一套理論體系獨立地解釋光的一切行為，而人為地割裂了兩種理論的聯(lián)系，最終都墮入形而上學的深淵，而光的波粒二象性將兩者有機地結(jié)合起來。（1）、愛因斯坦在普朗克量子化理論的

5、基礎上為了能更好地解釋光電效應提出著名的光子說，他認為光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫一個光子，光子的能量與其頻率成正比，即E=h，h叫普朗克常數(shù)，則是光子的頻率。從愛因斯坦理論不難看出，頻率本身是經(jīng)典物理中波所特有的概念。因此，光的粒子說實際上熱情的接納了波動學說，最起碼承認“粒子說”這個“男人”身上還有少許的“女人味”。（2）、在光的波粒二象性的啟發(fā)下，法國物理學家德布羅意對于微觀粒子提出了著名的德布羅意公式。即 =h/mv，其中 為運動粒子的波長，mv為運動粒子的動量，在此基礎上，后人又發(fā)現(xiàn)了許多微觀粒子具有衍射現(xiàn)象，并提出“物質(zhì)波”的概念。仔細觀察德布羅意公式會發(fā)現(xiàn)， 是波的特性

6、，而mv則是粒子的特性。換句話說，光的波粒二象性其實是波動說與粒子說的辨證統(tǒng)一。它從聯(lián)系、發(fā)展的觀點，而不是孤立、靜止的觀點去認識光的本性，因而是馬克思辯證唯物主義的世界觀和方法論，而絕對不是形而上學。3、光的波粒二象性包含著量變與質(zhì)變的辨證關系：馬克思辯證唯物主義認為，質(zhì)和量在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化。第一，量變是質(zhì)變的必要準備，質(zhì)變是以量變?yōu)榍疤岷突A的，沒有量變就沒有質(zhì)變；第二，質(zhì)變是量變的必然結(jié)果，只有量變達到一定程度才可能引起質(zhì)變，這一變化具有規(guī)律性、必然性。具體到光的波粒二象性，便體現(xiàn)在波與粒子圖象的統(tǒng)一。物理學家們曾做過這樣的實驗，在揚氏雙縫干涉實驗中，在屏處放上照相底片，并設法減弱

7、光流強度，使光子只能一個個地通過狹縫，實驗結(jié)果表明，如果曝光時間不太長，底片上只能出現(xiàn)一些無規(guī)則分布的點子，那些點子顯然是光子打在底片上形成的，表現(xiàn)出光的粒子性；如果曝光時間足夠長，底片上便出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋。由此可見，干涉實驗中包含著深刻的從量變到質(zhì)變的辨證關系。在實驗的第一個步驟中之所以在底片上出現(xiàn)的是一些無規(guī)則的點子，是因為量變未積累到足以發(fā)生質(zhì)變，而一旦條件成熟，量變積累到一定程度，必然引起質(zhì)變，使本來無規(guī)則的點子變成了規(guī)則的干涉條紋，發(fā)生了質(zhì)的飛躍。4、光的波粒二象性是對立統(tǒng)一規(guī)律的必然產(chǎn)物：馬克思辯證唯物主義認為，任何事物都存在矛盾，矛盾的同一性和斗爭性是世界上一切事物、現(xiàn)象和過

8、程內(nèi)部都包含的相互關聯(lián)、相互排斥的兩個方面，正是這兩個方面推動了事物的發(fā)展。光的波動性和粒子性便屬于一對矛盾，波動說和粒子說在長期的斗爭中相互包含，相互吸取有利于自身的因素（這種行為可能是無意識的，雙方都不承認），共同發(fā)展，正是由于波動說和粒子說相互斗爭、相互同化，才最終誕生了物理學王冠上一顆璀璨的明珠光的波粒二象性。最典型的事例便是愛因斯坦光子能量公式和德布羅意公式，這兩個公式將波動說與粒子說完美地統(tǒng)一起來，成為物理學大廈的一塊基石。5、光的波粒二象性是否定之否定規(guī)律結(jié)出的碩果：縱觀物理學發(fā)展史，以牛頓為代表的一批杰出的物理學家所提出的粒子說得到了光的直線傳播等實驗事實的有力支持，但在對光的

9、干涉、衍射等問題上遇到了難以克服的困難，于是波動說應運而生，實現(xiàn)了對粒子說的第一次否定。隨著新實驗事實的發(fā)現(xiàn)，如光的色散、光的偏振現(xiàn)象又為波動說設置了難以逾越的障礙，雙方又進入到第二次否定，即對波動說的否定，即所謂的否定之否定，既保留了各自的積極因素，又克服了各自的片面性，實現(xiàn)了肯定方面與否定方面的辨證統(tǒng)一。經(jīng)過艱苦的肯定、否定、否定之否定循環(huán)往復，才最終上升到“光的波粒二象性”的理性認識上來，最后，雙方不得不痛苦地接受“光既是一種粒子，又是一種波”這個近乎荒誕不經(jīng)的事實。綜上所述，光的波粒二象性對光的本性的認識包含著深刻的辯證唯物主義思想。唯物主義觀點、辯證法與形而上學的斗爭、量變與質(zhì)變的辨

10、證關系、對立統(tǒng)一規(guī)律、否定之否定規(guī)律貫穿物理光學的始終，無不閃耀著智慧的光芒。駐筆于此，不得不使我對我們的物理學前輩們肅然起敬。4根據(jù)波粒二象性的科學探索過程，分析對我們?nèi)绾伟l(fā)現(xiàn)和發(fā)展真理有哪些啟示?！敬鸢敢c】(1)波粒二象性的科學探索過程。17世紀末，牛頓提出了光的微粒說，認為光是由微粒狀的物質(zhì)組成的。不久惠根斯提出了光的波動說，認為光是一種波動。由于當時牛頓在科學界享有極高的威望，微粒說占了上風。19世紀初，波動說又重新提出，并用實驗有力否定了牛頓的微粒說。19世紀末，光電效應等一系列的實驗向波動說提出了新的挑戰(zhàn)。愛因斯坦最終沖破禁區(qū)，創(chuàng)立了光的量子學說，認為光既是波，又是微粒，是連續(xù)的

11、，又是不連續(xù)的。(2)以上科學探索過程，對我們發(fā)現(xiàn)和發(fā)展真理的主要啟示有以下幾點。第一，波粒二象性探索過程中的每一個科學認識都體現(xiàn)了真理絕對性與真理相對性的辯證統(tǒng)一，是一個從相對真理不斷接近于絕對真理的過程。第二，實踐是認識的來源和檢驗真理的標準，人們對波粒二象性的認識，來源于科學實踐，也只能通過科學實踐來檢驗，在科學實驗中得到發(fā)展。第三，實踐標準既有確定性又有不確定性，波粒二象性探索過程中的每一種科學認識，都是當時條件下人們的實踐所形成的真理性認識，隨著實踐條件的發(fā)展變化，隨著新的實驗水平的發(fā)展而發(fā)展，實踐檢驗的標準也是不斷發(fā)展的。第四，在發(fā)展中的實踐中，人們對真理的認識是無止境的，永遠不會

12、停留在一個水平上，波粒二象性的發(fā)現(xiàn)，也沒有結(jié)束真理。第五，人們要發(fā)現(xiàn)和發(fā)展真理，必然充分發(fā)揮主觀能動性，解放思想，運用創(chuàng)新思維，發(fā)揚創(chuàng)新精神，不要被已有的理論和實踐所束縛，敢于對現(xiàn)有理論提出質(zhì)疑、善于思考、敢于實踐、大膽探索，創(chuàng)新出新的理論與新的事物。1、本案例是對人類認識光的本質(zhì)的科學發(fā)展史的回顧，反映了認識真理道路的曲折性 問題以及真理與謬誤的對立統(tǒng)一問題。真理是人們對于客觀事物及其規(guī)律的正確認識。人類的認識活動從總體上講是為了獲得真理，并用真理知道實踐，以取得實踐的成功。真理具有客觀性。真理作為一種主觀的思想形式，是把不以人的意志為轉(zhuǎn)移的外部客觀世界作為認識對象的。在這段科學發(fā)展史中，人

13、們對于光的本質(zhì)的認識是主觀的思想，而光的本質(zhì)是客觀的，是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的。檢驗真理的標準也是客觀的。實踐是檢驗真理的唯一標準，人們通過實踐中積累的經(jīng)驗，又牛頓總結(jié)，提出了“粒子說”；正是一個個實驗證明了光的波動性，打擊了“粒子說”；而又是光電效應的發(fā)現(xiàn)是“波動說”轉(zhuǎn)入下風，最后愛因斯坦的“波粒二象性”得到了多數(shù)人的認可。這又體現(xiàn)了真理的相對性，即真理的有條件性，有限性。任何真理都會受到人類實踐水平和范圍以及認識能力的限制，它只能是對無限的無紙世界發(fā)展的某一階段、某一方面、某層次的認識，因而是有限的?！傲Ｗ诱f”“波動說”輪流占上風，最終統(tǒng)一于波粒二象性，體現(xiàn)了真理與謬誤的對立統(tǒng)一。 

14、; 2、光既具有粒子性，又具有波動性，即現(xiàn)在被絕大多數(shù)人承認的波粒二象性。具體來 說就是某物質(zhì)同時具備波的特質(zhì)及粒子的特質(zhì)。二者在經(jīng)典力學中是對立的，但“粒子說”無法解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，光電效應又無法被“波動說”闡釋。1905年愛因斯坦提出了光電效應的光量子解釋，人們開始意識到光波同時具有波和粒子的雙重性質(zhì)。即光的粒子性和波動性又是統(tǒng)一的。因此二者的關系是對立統(tǒng)一的。對光的本質(zhì)的認識經(jīng)歷了“粒子說”和“波動說”輪流占上風，最終統(tǒng)一于“波粒二象性”的曲折過程?，F(xiàn)實在實踐中的經(jīng)驗告訴人們光是粒子組成的，后來光的衍射和干涉實驗打擊了這一理論，并提出了嶄新的光的波動性學說，而后隨著實踐的發(fā)展，二者

15、互相矛盾卻不能解釋全部的光學現(xiàn)象，愛因斯坦的光量子學說，統(tǒng)一了二者，在現(xiàn)階段被多數(shù)人認可。1.引言   光與人類的生活有著密切的聯(lián)系，人們借助光來觀察世界和從事勞動。早在兩千多年前，中外古人就對光的直線傳播、反射和折射現(xiàn)象進行了研究。關于光的本性問題，笛卡兒在方法論之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1。他的這兩種假說為后來以牛頓為代表的“微粒說”和以惠更斯為代表的“波動說”的兩大對抗陣營的形成埋下了伏筆，這兩種表面看似矛盾的學說也成為當前所公論的光具有“波粒二象性”的理論基礎。光的波粒二象性理論成

16、功建立，辯證法的三大規(guī)律始終伴隨著整個過程。自然辯證法的基本精髓也要求物理學家從事實材料出發(fā)，弄清事物的現(xiàn)象與本質(zhì)，不斷探索研究，根據(jù)已知，探索未知，從中創(chuàng)造出新知，最終得出正確的科學理論。  2.光的波動說與微粒說的兩次交鋒  2.1 光的波動說與微粒說第一次交鋒      波動說與微粒說的第一次交鋒由“光的顏色”這根導火索引燃，從此英國物 理學家胡克與牛頓之間展開了漫長而激烈的爭論。胡克通過對肥皂泡膜顏色的觀察提出了“光是以太的一種縱向波”的科學假說，并據(jù)此認為光的顏色是由其頻率決定的。但是，牛頓卻否同胡克的看

17、法。1672年，牛頓的光色散實驗：讓陽光通過小孔照在暗室里的棱鏡上，在對面的墻壁上會得到彩色光譜。他闡述了光的顏色理論，認為光的復合和分解就像不同顏色的微粒混合在一起又被分開一樣。       之后，以胡克為主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。1675年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。         

18、但這時的牛頓和胡克都沒有形成完整、系統(tǒng)的理論，因此波動說和微粒說之間的交鋒沒有以某一方的勝利而告終，只是暫時休戰(zhàn)。但科學爭論繼續(xù)存在，物理學家就會孜孜不倦尋個水落石出，這也是辯證法的精神所在，科學理論最終會在不斷的探索中成熟2。  2.2 光的波動說與微粒說第二次交鋒        波動說的支持者惠更斯繼承并完善了胡克的觀點。他仔細研究了牛頓的光學實驗和格里馬第實驗，并提出了光是一種機械波：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3?；莞挂圆?/p>

19、動說證明了光的反射定律和折射定律，也成功解釋了光的衍射、雙折射現(xiàn)象和“牛頓環(huán)”實驗。        與此同時，牛頓修改和完善了光學。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，就應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4。  3.光的波粒二象性      任何理論的真假

20、，必須由實踐來檢驗。那么光究竟是波，還是微粒呢？這 是物理學的難題，也是哲學問題。      隨著科學技術的發(fā)展和認識手段的豐富，以及辯證法的三大規(guī)律的支配， 波動說和微粒說經(jīng)歷了多次的此消彼長，最終以波動說和微粒說的辯證統(tǒng)一，即形成波粒二象性理論而宣告結(jié)束。1905年3月，愛因斯坦發(fā)表了關于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個推測性觀點。他認為對于時間的平均值，光表現(xiàn)為波動；對于時間的瞬間值，光表現(xiàn)為微粒性。提出，光既有波動性又有微粒性，即光的波粒二象性，這才是光的本性。  4.辯證法三大規(guī)律對于光的波粒二象性的辯證思維意義  辯證法三大

21、規(guī)律，即對立統(tǒng)一規(guī)律、量變質(zhì)變規(guī)律、否定之否定規(guī)律。辯證法規(guī)律，主要揭示本質(zhì)自身中的矛盾具有的特點，因此，它不是停留在具有直觀性的矛盾現(xiàn)象上，而是上升到本質(zhì)自身內(nèi)部的矛盾兩方面，即上升到本質(zhì)高度把握客觀存在的現(xiàn)象聯(lián)系。在辯證法的三大規(guī)律中，基本規(guī)律、核心規(guī)律是對立統(tǒng)一規(guī)律，其他兩個規(guī)律都是對立統(tǒng)一規(guī)律的展開形式。因此，三者之間不是并列的關系，而是一分為二的關系5 。辯證思維最基本的特點是將對象作為一個整體，從其內(nèi)在矛盾的運動、變化及各個方面的相互聯(lián)系中進行考察，以便從本質(zhì)上系統(tǒng)、完整地認識對象。辯證思維的實質(zhì)就是按照唯物辯證法的原則，在聯(lián)系和發(fā)展中把握認識對象，在對立統(tǒng)一中認識事物。辯證法把自

22、然界的本質(zhì)和發(fā)展規(guī)律作為研究對象，從整體上研究自然界存在和演化的根本性質(zhì)和普遍規(guī)律6。下面我將從兩個方面闡述光的波粒二象性的辯證思維意義。  4.1從波動說和微粒說的局限性方面，闡述光的波粒二象性的辯證思維意義  牛頓用微粒說成功解釋光的直線傳播、反射和折射現(xiàn)象。但微粒說無法解釋在空間幾束交叉的光線能互不干擾獨立傳播的現(xiàn)象，以及光的衍射、折射現(xiàn)象和“牛頓環(huán)”實驗。相對立的是，惠更斯用波動說不但解釋了在空間幾束交叉的光線能互不干擾獨立傳播的現(xiàn)象，而且解釋了光的反射和折射現(xiàn)象。但微粒說和波動說都不完善，各有支持者。最后，愛因斯坦提出光量子說，巧妙地把微粒說和波動說結(jié)合在一起，并辨證地指出：“光既是波，又是微粒，是連續(xù)的，又是不連續(xù)的，自然界喜歡矛盾”  牛頓用微粒說不能解釋的一些光學現(xiàn)象和惠更斯的波動說的很不完善的解釋，說明當時他們沒有運用全面的觀點去考察研究對象，即從時空整體上全面地考察研究對象的橫向聯(lián)系和縱向發(fā)展過程。愛因斯坦光量子理論把微粒和波緊密地聯(lián)系在一起，充分的說明了愛因斯坦從辯證思維方法來闡述光的波粒二象性。由此說明，從辯證思維來研究自然科學的問題，是必要的而且是不可或缺的。    4.2從波和微粒的本質(zhì)方面，闡述光的波粒二象性的辯證思維