光的本性認(rèn)識的發(fā)展

光的本性認(rèn)識的發(fā)展光的本住問題是貫穿在光學(xué)發(fā)展中的一個根本問題。正是這種對光的本性的探討有力地推動了光學(xué)以及整個物理學(xué)的發(fā)展。人們對光的本性的認(rèn)識，從光是“物質(zhì)的微粒流”，經(jīng)歷了光是“以太的振動”，光是電磁波到光是波粒二象性的統(tǒng)一等各個認(rèn)識階一段。這一認(rèn)識歷程從牛頓和惠更斯之爭算起到現(xiàn)在其間經(jīng)歷了三百多年。人們遵循實(shí)驗(yàn)——假設(shè)——理論——實(shí)驗(yàn)這條途徑，逐步達(dá)到了對光的本性的認(rèn)識，這一認(rèn)識揭示了物質(zhì)世界光和電磁的統(tǒng)一，光的波動性和微粒性的統(tǒng)一。德國物理學(xué)家勞厄在談到這一認(rèn)識的重大意義時指出：“在這以前還是完全互不相依的光的理論和電動力學(xué)理論的這種自然的結(jié)合發(fā)展是作為物理知識的真理一性證明的一個最偉大的事件”。他在《物理學(xué)史》的導(dǎo)言中著重指出了研究兩類不同的物理思想“它們不期而遇并且自然地相結(jié)合”的意義。他說：“凡是經(jīng)歷了這種令人極為驚奇的事件的人，即使是在很遠(yuǎn)的距離經(jīng)歷的，或者至少能在事后加以回顧的，都不會懷疑：這些相互結(jié)合的理論，即使不包含完全的真理，終究也包含了與人類的附加因素?zé)o關(guān)的客觀真理的一種重要的內(nèi)核。否則，它們的結(jié)合只能理解為奇跡。物理學(xué)史的理想必須是把這樣的事件盡可能明晰地刻畫出來”。下面我們就來敘述人類對光的本性認(rèn)識的發(fā)展過程。（一）微粒說與波動說的思想淵源關(guān)于對光的本性這一古老之謎的認(rèn)識要追索到古希臘時代。古希臘杰出的原子論者德漠克利特（Democritus，公元前460～前370）最早提出光是物質(zhì)微粒的觀點(diǎn)。他認(rèn)為視覺是由物體射出的微粒進(jìn)入眼睛而引起的。古希臘的男一個原子論者伊壁鳩魯（Epicurus，公元前341～前270）和古羅馬的原子論者盧克來修（Lucretius，公元前99一前55）堅(jiān)持這一學(xué)說。盧克來修說：“從任何我們看見的東西，必定永遠(yuǎn)有許多原初物體流出來，被發(fā)放出來；被散布到四周各處，這些物體撞擊眼睛，引起了視覺?！绷孔诱撜叩倪@一觀點(diǎn)是后來把光看作某種物質(zhì)實(shí)體的粒子說的萌芽。古希臘杰出的思想家亞里士多德（Aristotle，公元前384一前322）認(rèn)為，視覺是在眼睛和可見物體之間的中間介質(zhì)運(yùn)動的結(jié)果。他認(rèn)為這種中間介質(zhì)有讓光通過的可能性（潛在能力），即是透明的，光則把這種可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。所以，沒有中間介質(zhì)就沒有視覺。在這個理論中包含著后來的光的波動說的思想。科學(xué)發(fā)展到了17世紀(jì)，法國哲學(xué)家、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家笛卡兒（ReneDescartes，1596～1650）提出了對光的本性的看法。英籍德國物理學(xué)家玻恩（MaxBorn，1882—1970）和美國物理學(xué)家沃耳夫（Emil．Wolf，1922一）在他們的《光學(xué)原理》的歷史引言中說：“在新哲學(xué)的創(chuàng)立者當(dāng)中，笛卡兒可以提出來說一說，因?yàn)樗鶕?jù)他的形而上學(xué)觀念系統(tǒng)地陳述了關(guān)于光的本性的見解。笛卡兒認(rèn)為，光在本質(zhì)上是一種壓力，在一種完全彈性的，充滿一切空間的介質(zhì)（以太）之中傳遞，他并且把顏色的差異歸因于這個介質(zhì)中粒子的不同速度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動?！钡芽▋簩獾谋拘詻]有明確而統(tǒng)一的觀點(diǎn)。他在他的著作《光的折射》中提出了一個比喻：光通過介質(zhì)傳入人眼，就象機(jī)械脈沖沿著手杖傳入盲人的手和腦中一樣，并沒有某種物質(zhì)性的東西傳入眼睛使我們看到光和色。笛卡爾在這里強(qiáng)調(diào)了介質(zhì)的影響和接觸作用，認(rèn)為光是以太介質(zhì)中某種壓力的傳播過程，所以可以把他算作波動論者。另一方面，笛卡兒又從光的微粒觀念中推導(dǎo)出反射定律與折射定律。笛卡兒在《光的折射》中寫道：“假設(shè)我們將球從A點(diǎn)擊到B點(diǎn)，碰到地面CSE時，球因受阻而偏離原來的運(yùn)動方向（圖9－1）。它將往哪個方向偏？為了簡化所研究的問題，我們假定：地面是平滑堅(jiān)硬的，并且球在下落和彈跳時速度保持不變。我們不考慮球在離開球拍以后能夠繼續(xù)運(yùn)動的原因，也不考慮球的重量、大小以及形狀對運(yùn)動方向會有什么影響。因?yàn)槲覀兊哪康牟⒉皇茄芯窟@些問題，而是研究光；并且上述因素對光都沒有影響?！苯又芽▋洪_始了對平滑表面上光的反射的研究。他把球的速度分解為垂直分量及水平分量。當(dāng)球碰到地面時，只是球速的垂直分量方向相反，大小不變。水平分量是不變的，由此很容易證明光的入射角等于它的反射角。笛卡兒繼續(xù)寫道：“現(xiàn)在讓我們來觀察折射現(xiàn)象。首先假定球從A點(diǎn)被拋至B點(diǎn)，在B點(diǎn)碰到的不是地面，而是一塊布CBE，它非常稀疏和不結(jié)實(shí)，將減慢球的速度?！彼匀话阉俣确殖纱怪狈置思八椒至?，垂直方向速度減小而水平分量不變圖9－2。由此得即對各向同性介質(zhì)，、與光的傳播方向無關(guān)。上式右端是一個與入射角無關(guān)的常數(shù)，它表明入射角的正弦與折射角的正弦之比是一個常數(shù)；這樣便解釋了折射定律。但是實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)光從光疏介質(zhì)（例如空氣）進(jìn)入光密介質(zhì)《例如水》時，光折向界面法線即i1＜i2，按照上述公式則υ1＞υ2，從微粒論的觀點(diǎn)看來，光在光密介質(zhì)中的光速應(yīng)當(dāng)大于光在光疏介質(zhì)中的光速。后來，實(shí)驗(yàn)證明這一結(jié)論是錯誤的，但這是在被卡兒以后200年的事了。當(dāng)時他為自己的觀點(diǎn)解釋說：“……你也許會感到驚奇……但如果你還記得我所描述過的光的特性，你就不會為此而感到驚奇了。我曾說過，光只能設(shè)想為一種能填塞所一有其它微孔的很稀薄的物質(zhì)的某些運(yùn)動或作用?！?，事情是這樣的，透明體的細(xì)小部分越是堅(jiān)硬，光的通過越是容易，因?yàn)楣獠⒉灰雇该黧w的任何部分離開它們的位置，它不象球那樣一必須排開部分水才能從中通過?！保ǘ┎▌诱f與微粒說之爭英國物理學(xué)家、天文學(xué)家胡克在他1665年發(fā)表的《放大鏡下微小物體的顯微術(shù)或某些生理學(xué)的描述》（以下簡稱《顯微術(shù)》一書中，明確主張光是一種振動。同時他還以金剛石的堅(jiān)硬特性，提出這種振動必定是短促的。在討論了光的直線傳播和光速是有限的之后，他寫道：“在一種均勻介質(zhì)中這一運(yùn)動在各個方向都以相等的速度傳播。所以發(fā)光體的每一個脈動或振動都必將形成一個球面。這個球面將不斷地增大，就如同把一石塊投入水中后在水面一點(diǎn)周圍的環(huán)狀波膨脹為越來越大的圓圈一樣（盡管肯定要快得多）。由此可知，在均勻介質(zhì)中擾動起來的這些球面的一切部分與射線交成直角?！笨梢?，胡克實(shí)際上已接觸到波前或波面的概念。胡克還研究了薄膜的彩色。他在《顯微術(shù)》中記載了這樣的現(xiàn)象：厚云母片是無色的，但將它揭成薄片時卻呈現(xiàn)出了象虹一樣美麗的顏色；他還發(fā)現(xiàn)，在反射面上蓋上一層具有不同折射作用的透明薄膜時，也會產(chǎn)生彩色現(xiàn)象。他對薄膜的這一光學(xué)現(xiàn)象提出了解釋，他認(rèn)為這是由于直接從前表面反射的光和經(jīng)過折射從后表面反射的光相互作用而形成的。胡克提出：“一束最弱的成分領(lǐng)先而最強(qiáng)的成分隨后的光脈沖的混合，在網(wǎng)膜上引起藍(lán)色的印象，一束最強(qiáng)的成分領(lǐng)失而最弱的成分隨后的光脈沖的混合。則引起紅色的印象。其他的顏色印象都可以由兩種成分的先后排列情況作出解釋。”胡克的這種解釋是不正確的。他認(rèn)識到了這一現(xiàn)象與兩薄膜的厚度有關(guān)，但是他還沒有建立相位差的概念，對千涉現(xiàn)象不能作出正確的解釋。經(jīng)典物理學(xué)的奠基者牛頓基本上是主張微粒說。他根據(jù)光的直線傳播性質(zhì)，提出光是微粒流的理論。他認(rèn)為這些微粒從光源飛．出來，在真空式均勻物質(zhì)內(nèi)由于慣性而作勻速直線運(yùn)動。早在1672年2月6日牛頓送交英國皇家學(xué)會的一封信“關(guān)于光和色的新理論”中，就提出了光的微粒說，認(rèn)為光線可能是由球形的物體所組成，并用這種觀念解釋了光的直線傳播和光的反射折射定律。胡克和牛頓爭論時，提出不少問題；特別是微粒說所不能解釋的一些事情。為了回答胡克提出的問題，牛頓又進(jìn)一步研究，想辦法如何來完善自己的假說和理論。他認(rèn)為他的光的粒子結(jié)構(gòu)理論是正確的，但他也沒有絕對肯定這個結(jié)論，而只能用“可能”兩個字來表示。1675年12月9日，牛頓在送交皇家學(xué)會的一篇論文《涉及光和色的理論的假說》中，提出了一個把光的微粒和以太的振動相結(jié)合的新假說。他寫道：“以太的振動在這一假說和那一假說中都是一樣有用的和不可缺的。因?yàn)榧俣ü饩€是從發(fā)光物質(zhì)向各方面發(fā)射出去的小的微粒的話，那末當(dāng)它們碰到任何一種拆射或反射表面時，就必然要在以太中引起振動，正象石塊被投到水中要引起振動一樣。我還假定，這些振動將按照激發(fā)它們的上述顆粒性光線的大小和速度不同而有不同的深度和厚度?！背酥猓ｎD在1675年12月21日寫給奧爾登堡（HenryDldenburg，當(dāng)時皇家學(xué)會的秘書）的信中談到他和胡克看法不同之處。牛頓認(rèn)為，“除了假定以太是一種能振動的介質(zhì)以外，我和他沒有什么共同之點(diǎn)。然而我對這個假定有和他很不相同的看法：他認(rèn)為能振動的以太就是光本身，而我則認(rèn)為它不是；這是一個很大的差別，正如他和笛卡兒的差別很大一樣?！奔覍W(xué)會提出了《在聲和光方面的實(shí)驗(yàn)和問題》的報(bào)告。他認(rèn)為聲和光都是波的傳播。光是在充滿整個空間的以大流體中傳播的彈性振動，由于以太極稀薄，所以光是以縱波形式傳播的，光的顏色和不同頻率的聲音是類似的。在聲波疊加的情況下，會產(chǎn)生聲音的加強(qiáng)和減弱，復(fù)合的聲調(diào)和拍頻?！案缮妗边@個術(shù)語就是他最先提出的。在180i年發(fā)表的一篇報(bào)告中，托馬斯·楊提出了光波的頻率和波長的概念，提出干涉原理并解釋了“牛頓環(huán)”現(xiàn)象。他寫道：“同一束光的兩個不同部分，以不同的以S徑約末完全一樣地，要來在方向上十分接近地進(jìn)入眼睛，在光線路所差是某個長度的整數(shù)倍的地方，光就增強(qiáng)，而在干涉區(qū)域的中間部分，光將最強(qiáng)。對于不同顏色的光束來說，這個長度是不同的?！彼赋雠ｎD環(huán)的明暗條紋，就是由不同界面反射出的光互相重合而產(chǎn)生“干涉”的結(jié)果。相位相反的振動疊加起來就互相抵消，相位相同的則互相加強(qiáng)。他用實(shí)驗(yàn)的方法確證了他所提出的這一假設(shè)。他用紫外光投射到薄層上，使紫外光從上下兩個界面反射產(chǎn)生干涉。由于紫外光是人眼所看不見的，他就讓反射光落在涂有氧化銀溶液的紙上，結(jié)果出現(xiàn)了黑環(huán)，從而證明了他的干涉原理。他精秘地確定了各種色光的波長值。他指出：“根據(jù)各種實(shí)驗(yàn)的比較，組成極端紅光的波的寬度，在空氣中，應(yīng)假定約為三萬六千分之一英寸，極端紫光的約為六萬分之一英寸?！痹?803年11月24日寫的《關(guān)于物理光學(xué)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算》的論文中，托馬斯·楊把干涉原理應(yīng)用于解釋衍射現(xiàn)象，并用一個非常簡單、非常直觀的實(shí)驗(yàn)證明這種衍射條紋是直接通過衍射縫的光和邊界波的干涉產(chǎn)生的。楊氏在護(hù)窗板上鉆一個小孔，用一張鉆有針孔的厚紙片把它蓋住，在通過孔后的陽光途中放一寬約。1/30英寸的硬紙條，然后觀察硬紙條投射到墻上或屏上的影子。他寫道：“除了在影子兩側(cè)出現(xiàn)了彩色的帶外，我還看到影子本身也被分割成若干個這樣的帶，帶的數(shù)目與硬紙到影子的距離有關(guān)，而且，影子的中央部分總是白色的。由于光線從硬紙條的兩個側(cè)邊．通過時它會發(fā)生曲折或者向影子內(nèi)部衍射，所以光的這些不同部一分互相共同作用的結(jié)果就產(chǎn)生了這些彩色帶。我只要把一塊不大的紙板放在硬紙條前面，使它只擋住硬紙條一側(cè)的光線（紙板陰影的邊緣正好落在硬紙條上），或者將紙板放在硬紙條后面數(shù)英寸處，使它只擋住硬紙條投向墻上的陰影的一部分，此時，原先觀察到的硬紙投射到墻上的影子中的全部彩帶立刻就消失了，雖然這時候從硬紙條的另一側(cè)邊衍射出的光并沒有被擋住……。”托馬斯·楊在1807年出版的《自然哲學(xué)講義》中，進(jìn)一步闡述了干涉原理，描述了著名的衍射試驗(yàn)。他首先指出干涉現(xiàn)象是波動的普遍特征。他寫道：“如果認(rèn)為任何一定顏色的光都是由一定寬度即一定頻率的振動所組成，那么，該波一定是會產(chǎn)生我們在水波和聲脈沖中所考察過的那種效應(yīng)。我們已經(jīng)指出，由兩鄰近中心發(fā)出的兩個相同的波系，可以在某些點(diǎn)上相互抵消其效應(yīng)，而在其他一些點(diǎn)上倍增其效應(yīng)。兩音叉的拍頻也可以從同樣的干涉一獲得解釋。對干光的加強(qiáng)與削弱，我們現(xiàn)在應(yīng)用同一的原理?！苯又?，他提出了光的干涉現(xiàn)象產(chǎn)生的條件以及獲得相干光的方法。他說：“要使光的兩部分效應(yīng)可以這樣地疊加，它們必定要一來自同一光源，而且必須從彼此偏離不大的方向經(jīng)過不同的途徑一到達(dá)同一點(diǎn)。”為了獲得兩束相干光必須使用同一個光源，然后再用衍射、反射、折射等方法，或者同時使用這幾種方法把光束劈開。他指出“最簡單的方法是使均勻的光束射到有兩個小孔或兩個狹縫的屏上，這些小孔或狹縫可以看作是散射中心，光由此向一切方向衍射?！苯又鴹钍险劦礁缮鏃l紋的形狀，并指出產(chǎn)生亮紋、暗紋的條件。他寫道：“在這種情況下，當(dāng)兩個重新形成的光束投射到安置在它們行程上的屏面上時，光束好象被許多黑線條分割成大體上相等的亮帶，……在圖象中心總是出現(xiàn)亮帶，而其他的亮帶則分布在圖象中央的兩側(cè)。亮帶之間的間距是：光分別從兩個狹縫到達(dá)各亮帶的光程差正好等于半波長的偶數(shù)倍，光分別從兩個狹縫到達(dá)各條暗帶的光程差正好等于半波長的奇數(shù)倍?！睏钍贤隄M地解釋了光的干涉現(xiàn)象，提出了干涉原理，并且測定了光的波長，對光的波動理論作出了重要的貢獻(xiàn)。但是，他的見解大部分是定性的，而且由于他認(rèn)為光是縱波，這給他的理論一帶來了很大的弱點(diǎn)，沒有立即得到科學(xué)界的普遍承認(rèn)。這個自牛頓以來在物理光學(xué)上最重要的成果就這樣被埋沒了將近20年。直到菲涅耳提出他的波動理論后，托馬斯·楊才獲得了應(yīng)有的榮譽(yù)。2．菲涅耳的衍射理論和油松亮斑最早發(fā)現(xiàn)光的衍射現(xiàn)象的人是意大利物理學(xué)家格里馬弟（FrancescoGrimaldi，1618—1663）。在他逝世后于1665年出版的《光、色、虹的物理數(shù)學(xué)》中，描述了他所作的光的衍射實(shí)驗(yàn)。如圖9—5所示，他在百葉窗上鉆一條狹縫AB，使陽光從晴朗天空通過該縫進(jìn)入一個完全封閉的黑暗空間，該光的漫射狀如錐形ACDB，在光中放一不透明的物體EF。他發(fā)現(xiàn)EF的影子MN比按幾何光學(xué)計(jì)算的應(yīng)有的大小IL要寬一些，在受到強(qiáng)烈照射的CM、ND部分，靠近影子邊緣的區(qū)域，還有幾層帶顏色的帶子，越在外越窄。如圖卜C所示，第一層最寬的帶是NMQ，N是藍(lán)色條紋，O是紅色條紋，M無色是最寬、最亮的區(qū)域。第二層QPR，第三層TSV仍然是靠近陰影的部分帶藍(lán)色，遠(yuǎn)離影子的部分帶紅色。他設(shè)想光是一種能夠作波浪式流動的流體，不同的顏色是波動頻率不同的結(jié)果。他發(fā)現(xiàn)光在物體的邊緣發(fā)生了微小的彎折，他第一個稱這種現(xiàn)象為衍射。他指出；“這種光帶顯然與孔人．B的大小有關(guān)，因?yàn)槿绻缀艽?，它們就不見了?！迸ｎD重復(fù)了這些實(shí)驗(yàn)，他讓光通過兩個刀口之間的狹縫，使光線產(chǎn)生了更大的彎曲，牛頓用小孔邊緣對微粒的引力來解釋這種現(xiàn)象。在菲涅耳發(fā)表他的論文以前，衍射效應(yīng)一直沒有得到正確的解釋。1815年，法國物理學(xué)家菲涅耳（A．J．Fresnel，1788—1827）向法國科學(xué)院提交了關(guān)于光的衍射的第一份研究報(bào)告，這時他還不知道托馬斯·楊關(guān)于干涉和衍射的論文。根據(jù)惠更斯的子波假設(shè)，菲涅耳以于波相干疊加的思想補(bǔ)充了惠更斯原理，發(fā)展成為惠更斯一菲涅耳原理。他認(rèn)為在各子波的包給面上，由于各子波的互相干涉而使合成波具有顯著的強(qiáng)度，這給予惠更斯原理以明確的物理意義。1818年，法國科學(xué)院提出了征文競賽題目：一是利用精確的實(shí)驗(yàn)確定光線的衍射效應(yīng)、二是根據(jù)實(shí)驗(yàn)，用數(shù)學(xué)歸納法推求出光通過物體附近時的運(yùn)動情況。在法國物理學(xué)家阿拉果與安培的鼓勵和支持下，菲涅耳向科學(xué)院提交了應(yīng)征論文。這篇論文的主體是由惠更斯的包絡(luò)而作圖法同楊氏干涉原理結(jié)合而組成，建立了他的作圖形式的衍射理論。他用半波帶法定量地計(jì)算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產(chǎn)生的衍射花紋。菲涅耳把自己的理論和對于實(shí)驗(yàn)的說明提交給評判委員會。參加這個委員會的有：波動理論的熱心支持者阿拉果；微粒淪的支持者拉普拉斯、泊松和比奧；持中立態(tài)度的蓋·呂薩克。菲涅耳的波動理論遭到了光的粒子論者的反對。在委員會的會議上泊松指出，根據(jù)菲涅耳的理論，應(yīng)當(dāng)能看到一種非常奇怪的觀象：如果在光束的傳播路徑上，放置一塊不透明的圓板，由于光在圓板邊緣的衍射，在離圓板一定距離的地方，圓板陰影的中央應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)一個亮斑，在當(dāng)時來說，這簡直是不可思議的，所以油松宣稱，他已駁倒了波動理論。菲涅耳和阿拉果接受了這個挑戰(zhàn)，立即用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了這個理論預(yù)言，非常精彩地證實(shí)了這個理論的結(jié)論，影子中心的確出現(xiàn)了一個亮斑。這個亮斑后來稱之為泊松亮斑。在托馬斯·楊的雙縫干涉和油松亮斑的事實(shí)的確證下，光的粒子說開始崩潰了。3．光的橫波理論和偏振光的干涉早在牛頓時代，人們就知道通過冰洲石的光束會分裂成兩束折射光的現(xiàn)象。1808年底的一個傍晚，在巴黎盧森堡宮殿外，法國工程師和物理學(xué)家馬呂斯（EtienneLoutsMains，1775—1812）用冰洲石晶體來看落日在玻璃上的反射現(xiàn)象時，他驚奇地發(fā)現(xiàn)只出現(xiàn)一個太陽的像，而不是一般雙折射時的兩個像。原來人們認(rèn)為，光被反射或折射時，它的物理性質(zhì)是不會改變的，這個偶然發(fā)現(xiàn)打破了這一見解，馬呂斯想到這可能是反射造成的。夜間他在驗(yàn)證自己的發(fā)現(xiàn)時，觀察了蠟燭在水面上的反射，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光束和表碩成36a反射時，在晶體中的一個像就消失了；在其他角度下，兩個像的強(qiáng)度一般是不同的。在晶體轉(zhuǎn)動時，較Z亮的像將會變暗，較暗的像將會變亮。利用其他反射表面，也會看到類似現(xiàn)象，只是發(fā)生一個像消失的角度不同（對玻璃來說，光束與表面成35”），1851年，英國的布儒斯特（DavidBrewster，1781—1868）發(fā)現(xiàn)發(fā)生這一現(xiàn)象的入射角的正切等于折射光束所在介質(zhì)的折射率與人射光束所在介質(zhì)的折射率之比。馬呂斯對尋常光線和非尋常光線的反射作了進(jìn)一步的研究后發(fā)現(xiàn)，如果一條光線反射了，另一條光線就會進(jìn)入第二種介質(zhì)。他由此引入了“光的偏振”這個術(shù)語。馬呂斯證明了尋常光線和非尋常光線在互相垂直的平面內(nèi)偏振。馬呂斯進(jìn)而研究了在簡單折射現(xiàn)象中的偏振，他發(fā)現(xiàn)光在折射時是部分偏振的，折射光的偏振和反射光的偏振是成相反分布的。他對這一發(fā)現(xiàn)非常高興，認(rèn)為它擊中了（縱波）波動論的要害，而有利于確證把光粒子看作有不同“側(cè)面”的粒子說。并被微粒論的支持者認(rèn)為是對光的粒子說的“真理性的數(shù)學(xué)證明”。1816年，菲涅耳和阿拉果一起研究了偏振光線的干涉。他們發(fā)現(xiàn)來自同一光源的通過冰洲石分裂成的兩條折射光互不干涉。其中每一條折射光束可以用某種光學(xué)方法進(jìn)行分光，分光后的光束都可以自己相互干涉。這一事實(shí)給光是縱波的觀點(diǎn)造成很大的困難。一直在為波動說的困難尋求解決辦法的托馬斯·楊當(dāng)知道菲涅耳和阿拉果的工作結(jié)果之后，于1817年覺察出，如果光的振動不是象聲波那樣沿運(yùn)動方向作縱向振動，而是象水波或拉緊的琴弦那樣垂直于運(yùn)動方向作橫向振動，問題或許可以得到解決。1817年初，他寫信給阿拉果說：“……雖然波動說可以解釋橫向振動也在徑向方向并以相等速度傳播，但粒子的運(yùn)動是在相對于徑向的某個恒定方向上，而這就是偏振。”（幻阿拉果立即將托馬斯·楊的這一新想法告訴了菲涅耳，菲涅耳當(dāng)時已經(jīng)獨(dú)立地領(lǐng)悟到了這個思想，他立即以模向振動的假設(shè)解釋了偏振光的干涉現(xiàn)象，而且還得出了、系列其它的重要結(jié)論。菲涅耳向阿拉果在研究來胄伺一光源的兩條折射光互不干涉的現(xiàn)象時，阿拉果提出了這樣一個設(shè)想：光波系統(tǒng)可能是由兩個相互垂直的振動所組成。菲涅耳發(fā)展了這個思想。他提出，光波可用垂直于其傳播方向上的一種位移來描述。所以，由于自身結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，冰洲石晶體和電氣石晶體能夠把光束分解為相互垂直的兩個光分量，這就出現(xiàn)了偏振現(xiàn)象。因?yàn)檫@兩個分量是相互獨(dú)立的，所以它們不能相互干涉，在水平方向上的位移不可能與在垂直方向上的位移相互抵消。菲涅耳寫道：“當(dāng)我們用這樣的觀點(diǎn)觀察事物時，偏振的作用就不再是激起橫向運(yùn)動，而是把橫向運(yùn)動沿兩個相互獨(dú)立、相互垂直的方向分解，并把這兩個分量單獨(dú)。分離出來。因?yàn)橹挥性谶@種情況下，每一個分量中的振動才處于同一平面內(nèi)?！?819年，阿拉果和菲涅耳在《化學(xué)與物理學(xué)年刊》上，聯(lián)名發(fā)表了題為《關(guān)于偏振光線的相互作用》的論文。論文一開始，他們概括了楊氏于涉實(shí)驗(yàn)所得的“美妙的結(jié)果”，又引入了光程的概念。他們指出：“在一切干涉現(xiàn)象中，如果兩個不同介質(zhì)的厚度與其折射率的乘積相等，則該不同介質(zhì)產(chǎn)生同樣的效應(yīng)?！苯又?，他們詳細(xì)地描述了他們所作的一系列偏振光干涉的實(shí)驗(yàn)，最后得出五點(diǎn)結(jié)論：（1）振動方向相互垂直的偏振光不發(fā)生干涉。（2）振動方向相同的偏振光發(fā)生干涉，與自然光產(chǎn)生的干涉相同。（3）原來振動方向相互垂直的兩束偏振光，當(dāng)用某種光學(xué)方法，使偏振面轉(zhuǎn)動到同一平面后，仍然不發(fā)生干涉。（4）原來振動方向相同的一束偏振光，當(dāng)用某種光學(xué)方法分裂成相互垂直的兩束偏振光，轉(zhuǎn)動偏轉(zhuǎn)面后又回到同樣的偏振狀態(tài)，兩束光發(fā)生干涉，與自然光的干涉相同。（5）雙折射光線的干涉條紋的位置，不只是由路程差和速度差決定，在某些情況下，還必須把半波損失考慮在內(nèi)。但是，新的光的波動說也5！起了關(guān)于以太的性質(zhì)的許多問題，這甚至使菲涅耳在接受光的橫波假設(shè)之前，也經(jīng)過一段猶豫。他提出：“這個假設(shè)與公認(rèn)的彈性液體振動本質(zhì)的概念如此矛盾，以致我長久以來不能決定采用它；甚至當(dāng)全部事實(shí)和長久的思考使我相信這個假設(shè)對于說明光學(xué)現(xiàn)象是必要的……”他指出：縱波可以通過氣體介質(zhì)傳播，而橫向振動只能在固體物質(zhì)中產(chǎn)生。但很難設(shè)想一種能傳播橫渡的固態(tài)以太，卻能讓天體自由通過。楊氏在談到菲涅耳關(guān)于光波系統(tǒng)是由垂直于傳播方向的兩個相互垂直的振動所組成的假設(shè)時，寫道：“菲涅爾先生的這個假設(shè)，至少應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是非常聰明的。利用這個假設(shè)可以進(jìn)行相當(dāng)滿意的計(jì)算。可是，這個假設(shè)又帶來了一個新問題，它的后果確實(shí)是可怕的……到目前為止，人們都認(rèn)為只有固體才具有橫向彈性。所以，如果承認(rèn)波動理論的支持者們在自己的‘講稿’中所描述的差別，那么就可以得出結(jié)論說：充滿一切空間并能穿透幾乎一切物質(zhì)的光以太，不僅應(yīng)當(dāng)是彈性的，并且應(yīng)當(dāng)是絕對堅(jiān)硬的！??！”菲涅耳的研究成果，標(biāo)志著光學(xué)進(jìn)入了一個新時期——彈性以太光學(xué)的時期。這個學(xué)說的成功，在牛頓物理學(xué)中打開了第一個缺口。由于菲涅耳的工作給波動理論奠定了如此牢固的基礎(chǔ)，他被人們稱為“物理光學(xué)的締造者”。在1850年進(jìn)行了一項(xiàng)由阿拉果首先建議的，由傅科（L．Foilcault）、斐索（A．H．L．Fizeau，1819—1896）和布雷格特（L．Breguet）作的關(guān)于光速的仲裁實(shí)驗(yàn)。當(dāng)光從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時，按照微粒論者的解釋光在光密介質(zhì)中的光速比較大；樣反，波動論者依據(jù)惠更斯作圖，要求光密介質(zhì)中的光速比較小。傅科等直接測量了空氣和水中的光速，結(jié)果毫無疑問，判定波動理論獲勝。相對于波動理論所取得的勝利來說，這個仲裁實(shí)驗(yàn)顯得近乎多余了。（四）光是電磁波的發(fā)現(xiàn)當(dāng)光的彈性以太理論遇到許多困難的時候，電磁學(xué)的一系列發(fā)現(xiàn)，揭示了光與電磁的內(nèi)在聯(lián)系，證明了光是電磁波。1845年法拉第發(fā)現(xiàn)了光的振動面在強(qiáng)磁場中的旋轉(zhuǎn)。這表示光學(xué)現(xiàn)象與磁學(xué)現(xiàn)象間存在內(nèi)在的聯(lián)系。當(dāng)他用一束偏振光順著磁力線方向透過置于強(qiáng)電磁鐵的兩個磁極之間的“重玻璃”時，利用尼科耳棱鏡，他發(fā)現(xiàn)，光的偏振面發(fā)生了一定角度的偏轉(zhuǎn)，磁力越強(qiáng)，偏轉(zhuǎn)角越大。這就是法拉第的磁致旋光效應(yīng)。這個發(fā)＿現(xiàn)載于他的《電學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究》第十九部分。法拉第興奮地說：“我確信，光與電和磁的關(guān)系是從這里開始被發(fā)現(xiàn)的”“這件事更有大地證明，一切自然力都是可以互相轉(zhuǎn)化的，有著共同的起源?！蔽覀冎?，這種效應(yīng)實(shí)際上是磁場使位于其中的物質(zhì)受到影響，間接地使光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，并非磁場對光的直接作用。在電磁學(xué)中，電量的單位有靜電單位與電磁單位。電量的靜電單位是根據(jù)庫侖定律定義的：一個靜電單位的電荷，對一個相距一厘米遠(yuǎn)的同樣電荷的排斥力是一達(dá)因。在電磁單位中，電流強(qiáng)度的單位定義為：在兩根相距一厘米的長平行導(dǎo)線上，當(dāng)它們的每單位長度彼此以二達(dá)因的力相互作用時所流過的電流。由此就可以得到電量的電磁單位的定義：單位電流強(qiáng)度在單位時間內(nèi)流過的電量。1856年韋伯和柯爾勞斯在萊比錫做的電學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電荷的電磁單位和靜電單位的比值等于光在真空中的傳播速度，即3×108m/s。這一驚人的結(jié)果進(jìn)一步揭示了電磁現(xiàn)象和光現(xiàn)象之間的聯(lián)系，這是對于光的電磁理論具有根本性意義的一個重要發(fā)現(xiàn)。1865年，麥克斯韋發(fā)表了一篇著名的論文《電磁場的動力理論》。在這篇文章中他提出了完整的電磁場方程組。從方程組推出了電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的波動方程。方程表明電磁場以波動形式傳播，兩者相互垂直并都垂直于傳播方向的電場和磁場構(gòu)成了統(tǒng)一的電磁場，它們以橫波的形式在空間傳播，形成電磁波，并求出電磁波的傳播速度為1μ和ε分別為介質(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)，于是在真空中的之值等于電量的電磁單位與靜電單位之比，其值為3×108m/s。恰好等干由實(shí)驗(yàn)測定的光速。這個奇妙的結(jié)果促使麥克斯韋在他的思想里實(shí)現(xiàn)了一個極具創(chuàng)造性的巨大飛躍：“兩個結(jié)果的一致性表朋，光和磁乃是同一實(shí)體的屬性的表現(xiàn)，光是一種按照電磁定律在場內(nèi)傳播的電磁擾動?！焙髞?，他在給威廉·湯姆孫的信中寫道：“我得出了自己的方程。我住在外省，我并不懷疑，我所得出的磁效應(yīng)的傳播速度與光速很接近，因此我想，我有一切根據(jù)可以認(rèn)為，磁的介質(zhì)和光傳播的介質(zhì)是同一個介質(zhì)……?！?868年，麥克斯韋發(fā)表了一篇短而重要的論文《關(guān)于光的電磁理論》，明確地把光概括到電磁理論中，這就是著名的麥克斯韋創(chuàng)立的電磁波學(xué)說。這樣，麥克斯韋就把原來相互獨(dú)立的電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)這三個重要的物理學(xué)領(lǐng)域結(jié)合起來。成為18世紀(jì)中葉物理學(xué)上實(shí)現(xiàn)的一個重大綜合。1886年10月，德國物理學(xué)家赫茲（HinrichHertz，1857一1894）在作放電實(shí)驗(yàn)時，偶然發(fā)現(xiàn)近旁一個線圈也發(fā)出火花，赫茲敏銳地想到這可能是電磁共振。干是他從1886年10月25日開始集中力量進(jìn)行驗(yàn)證麥克斯韋的電磁波是否存在的實(shí)驗(yàn)。1886年12月2日赫茲發(fā)現(xiàn)“兩個電振蕩之間成功地引起了共振現(xiàn)象”。他用火花隙振蕩放電作電磁波發(fā)射體，通過改變感應(yīng)線圈火花間髓處所附的金屬電極的形狀和大小來控制火花振蕩的頻率。用一個開口線圈作接收天線。開口線圈的兩端裝有兩個小銅球。在這兩個小鋼球之間，每通過一次火花，就表示接收到了一個人射電磁波。當(dāng)他把接收天線放在感應(yīng)圈附近，他觀察到當(dāng)感應(yīng)圈兩極間有火花跳過時，接收天線的間隙處也有火花跳過，從而證實(shí)了電磁波的存在。1888年，赫茲直接從頻率和波長測量了電磁渡的傳播速率。接著他又用這個簡單的儀器證明了這種電磁輻射具有和光類似的特性，包括在固體表而上的反射，用金屬凹面鏡聚焦，通一過小孔時的衍射，顯示干涉效應(yīng)，以及通過非導(dǎo)體材料時的折射等等，至此就確立了光的電磁理論的基礎(chǔ)。1896年洛倫茲（H．A．Lorenntz）創(chuàng)立了電子論，他認(rèn)為原子和分子內(nèi)含有帶負(fù)電的電子，在無外力時電子處于平衡位置；在外力作用下，電子作阻尼振動而產(chǎn)生光的輻射，當(dāng)光通過介質(zhì)時，介質(zhì)中電子的自然頻率與外場的頻率相同時，則受縛電子成為吸收體。這樣，利用洛倫茲電子論不僅解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸收的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點(diǎn)。光的電磁理論在整個物理學(xué)的發(fā)展中起著很重要的作用，它一指出光和電磁現(xiàn)象的一致性，并且再一次證明了自然現(xiàn)象存在著相互聯(lián)系這一辯證唯物論的基本原理，使人們在認(rèn)識光的本性方面向前邁出了一大步。（五）愛因斯坦的光量子假設(shè)光的波粒二象性的統(tǒng)一19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，光學(xué)的研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)構(gòu)中，在解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象時，近代物理學(xué)革命的先鋒愛因斯坦（AlbertEinstein，1879—1955）提出了光量子假設(shè)。1887年，赫茲在進(jìn)行證明電磁波存在的實(shí)驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)現(xiàn)象。他注意到當(dāng)接收電磁波的電極之一受到紫外光照射時，兩極之間就容易出現(xiàn)電火花。他在1887年發(fā)表的《論紫外光的放電效應(yīng)》一文中，首先描述了這些現(xiàn)象。1889年，霍爾瓦克斯（W．Hallwachs，1859一1922）指出如果用光照射鋅、鈉、鉀等金屬表面，就會有負(fù)電粒子釋放出來。赫茲的助手勒納德（P．Lenard，1862—1947）在1902年發(fā)表了對光電效應(yīng)的第一批定量研究結(jié)果，他測量了在紫外光照射下，鋁板發(fā)出的電子的荷質(zhì)比。他確信赫茲看到的火花加強(qiáng)的現(xiàn)象是金屬表面發(fā)射電子的結(jié)果。他發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)有三個為經(jīng)典波動理論無法解釋的主要性質(zhì)：第一，出射光電子的動能只同人射光的頻率有關(guān)。同入射光的強(qiáng)度無關(guān)；第二，每種金屬表面都存在一個特征截止頻率，頻率小于ν0的入射光不管其強(qiáng)度有多大，都不能發(fā)生光電效應(yīng)；第三，只要入射光的頻率大于斷上頻率，則無論它多么微弱，都會立即引起光電子發(fā)射，不存在滯后時間。這三點(diǎn)對經(jīng)典電磁理論提出了挑戰(zhàn)。按照經(jīng)典理論，光的能量是連續(xù)的；電子從光波的波陣面上連續(xù)獲得能量，能量的大小應(yīng)當(dāng)與光的強(qiáng)度有夫，而光強(qiáng)與光矢量（即電場強(qiáng)度E）振