揭開光神秘面紗

尹傳紅

對于光的研究（光學）是物理學中最古老的一個分支。它一直也是擁有許多思想、觀點的奇異對象。光的神秘面紗，歷經多個世紀的研究才逐漸被揭開。

“讓牛頓見鬼去吧”

這是一次不同尋常的聚會。它之所以引發后世關注，只因有那么幾位英國文學界的名流，如此集中而又直率地道出了他們對科學的看法，抑或說敵意。

時間定格于1817年12月28日，地點是英國畫家、評論家本杰明·海頓位于倫敦的書齋。那一天，主人在把詩人約翰·濟慈介紹給另一位詩人威廉·華茲華斯、散文家和評論家查爾斯·蘭姆等人后，拿出了自己的新作向客人展示。畫面表現的是正待進入耶路撒冷的耶穌，耶穌的身旁站著其信徒、科學家艾薩克·牛頓及懷疑論者伏爾泰。

“你不該畫牛頓！”略有醉意的蘭姆責備海頓說，“這家伙是個除了三棱鏡以外什么都不相信的人。”濟慈同意蘭姆的看法，稱牛頓把彩虹所有的詩意都破壞了，彩虹在其眼里只不過是光譜的排列而已，所以他在碰杯時提議：“讓牛頓見鬼去吧。”

“要抵制牛頓是不可能的！”海頓答道，“我們還得為牛頓的健康干杯，讓數學見鬼去吧。”

讓我們回到1666年的英國。那一年，23歲的牛頓做了探討光的本性的第一個重要實驗。按照他本人的敘述，他購買了一塊玻璃棱鏡（用純玻璃制成的三角棱體），“以此來試驗顏色現象”。為此他“弄暗我的房間，并在我的護窗板上開一小孔，讓適量的太陽光進入，我將我的棱鏡放在陽光進入處，于是光會因此折射到對面墻上。”

那時候，人們不相信顏色是光的基本特性之一，認為那不過是光通過另一種物質，如水、云彩或者玻璃時發生的變化。對于彩虹，人們也只是粗略地意識到，這是陽光在水滴內的折射及反射造成的一種獨特現象。牛頓在實驗中觀察到，那束折射到墻上的光不止是變寬的光點，而是一條以大家十分熟悉的彩虹順序——紅、橙、黃、綠、藍、紫排列的彩色光帶，其長度要比其寬度大許多倍。

這些顏色色譜難道是由棱鏡產生的嗎？牛頓讓這條“虹帶”通過反向放置的第二個棱鏡（用透鏡來取代），以使這些色光重新結合，結果它們真的變成了白光（點）。

在做過更多的實驗之后，牛頓形成了這樣一種觀點：顏色肯定是光的基本組成要素。普通白光是幾種不同顏色的光線的混合物，這些光在各自單獨作用于眼睛時，就會產生不同的色覺。每一種顏色都有獨特的、不同的折射率。組成白光的各種成分散開而成的光帶，稱為“光譜”。光譜的伸長是由于玻璃對這些不同的光線折射本領不同。

牛頓實際上也揭開了物質的顏色之謎：原來，物質的色彩，是不同顏色的光在物體上有不同的反射率和折射率造成的。

兩大學說的初次角力

色散實驗讓牛頓一舉成名，同時也促使他認真思考光的本質。1672年，在被選入英國皇家學會后，牛頓立即提交了他的研究成果——《關于光和顏色的理論》論文，并發表在《皇家學會哲學雜志》上，這是他第一次公開發表的論文。

在這篇論文中，牛頓提出了光的“微粒學說”，認為光是由高速運動的細小粒子（微粒）組成的。這些微粒從光源發射，就像子彈從槍膛射出來一樣。或者說，光是一束從發光體運動到眼睛的粒子流。這可以解釋為什么光按直線前進，并能投下清晰的影子。他還用微粒學說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。

可是，這一學說卻無法解釋一些顯而易見的事實。比如，為什么綠色的光比黃色的光折射得厲害？為什么兩束光可以彼此交叉通過而互不干擾，即為什么組成光的粒子不會互相碰撞？牛頓同代人中的一些杰出學者，也很難接受他的光具有數種不同的、獨立的、不能互相轉變的顏色，并為某一確定的可折射性所表征的學說——它似乎很容易就能被這樣一個實驗所駁倒：兩種顏色的顏料相混合可以產生第三種顏色的顏料。

正因如此，光的微粒學說甫一問世就遭到了激烈的反對。由著名物理學家羅伯特·胡克和著名化學家羅伯特·波意耳等組成的英國皇家學會評議委員會，對牛頓提交的光學論文基本上持否定的態度。波意耳指出，物體的顏色并非物體本身的性質，而是光照射在物體上產生的效果。他還第一次記載了肥皂泡和玻璃球表面的彩色條紋。

反對方手中一個更為有力的“殺手锏”，是意大利物理學家弗朗西斯科·格里馬迪于1665年設計的一個實驗：他讓一束光通過兩個前后排列的狹縫后，投射到暗室里的一個空白屏幕上，結果發現，呈現出的光帶比進入第一道縫時的光束略微寬些。就此他認為，這束光在狹縫邊緣向外有所彎曲，而且顯然是光線繞過障礙的一種情況。他把這一現象稱為“衍射”。

隨后在進一步的實驗中，格里馬迪又得到了有明暗條紋的光影圖像。他覺得這種現象與水波十分相像，并由此推斷：光可能是一種能夠做波浪式運動的流體，光的不同顏色可能是波動頻率不同的結果。

格里馬迪實則成了光的“波動說”最早的倡導者。胡克在重復了格里馬迪的實驗，自己又對肥皂泡膜上的顏色進行觀察后，提出了“光是‘以太’（ether）的一種縱向波”的假說。

牛頓的這張手稿圖，說明了三棱鏡是如何折射光的

色散實驗讓牛頓一舉成名，同時也促使他認真思考光的本質。1672年，在被選入英國皇家學會后，牛頓立即提交了他的研究成果——《關于光和顏色的理論》論文，并發表在《皇家學會哲學雜志》上，這是他第一次公開發表的論文。

在這篇論文中，牛頓提出了光的“微粒學說”，認為光是由高速運動的細小粒子（微粒）組成的。這些微粒從光源發射，就像子彈從槍膛射出來一樣。或者說，光是一束從發光體運動到眼睛的粒子流。這可以解釋為什么光按直線前進，并能投下清晰的影子。他還用微粒學說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。

可是，這一學說卻無法解釋一些顯而易見的事實。比如，為什么綠色的光比黃色的光折射得厲害？為什么兩束光可以彼此交叉通過而互不干擾，即為什么組成光的粒子不會互相碰撞？牛頓同代人中的一些杰出學者，也很難接受他的光具有數種不同的、獨立的、不能互相轉變的顏色，并為某一確定的可折射性所表征的學說——它似乎很容易就能被這樣一個實驗所駁倒：兩種顏色的顏料相混合可以產生第三種顏色的顏料。

正因如此，光的微粒學說甫一問世就遭到了激烈的反對。由著名物理學家羅伯特·胡克和著名化學家羅伯特·波意耳等組成的英國皇家學會評議委員會，對牛頓提交的光學論文基本上持否定的態度。波意耳指出，物體的顏色并非物體本身的性質，而是光照射在物體上產生的效果。他還第一次記載了肥皂泡和玻璃球表面的彩色條紋。

反對方手中一個更為有力的“殺手锏”，是意大利物理學家弗朗西斯科·格里馬迪于1665年設計的一個實驗：他讓一束光通過兩個前后排列的狹縫后，投射到暗室里的一個空白屏幕上，結果發現，呈現出的光帶比進入第一道縫時的光束略微寬些。就此他認為，這束光在狹縫邊緣向外有所彎曲，而且顯然是光線繞過障礙的一種情況。他把這一現象稱為“衍射”。

隨后在進一步的實驗中，格里馬迪又得到了有明暗條紋的光影圖像。他覺得這種現象與水波十分相像，并由此推斷：光可能是一種能夠做波浪式運動的流體，光的不同顏色可能是波動頻率不同的結果。

格里馬迪實則成了光的“波動說”最早的倡導者。胡克在重復了格里馬迪的實驗，自己又對肥皂泡膜上的顏色進行觀察后，提出了“光是‘以太’（ether）的一種縱向波”的假說。

愛因斯坦假說“一統江湖”

笛卡兒和胡克關于光的性質的觀點，很快就被荷蘭著名的數學家、物理學家和天文學家克里斯蒂安·惠更斯所借鑒并加以發揮。

惠更斯提出：光是一種機械振蕩波，波面上的各點本身就是引起媒介物質振動的波源。荷載光波的媒介物質（以太）應該充滿包括真空在內的全部空間，并能滲透到通常的物質之中。1678年，惠更斯向法國皇家科學院提交了他的光學論著《光論》。此書系統地闡述了光的波動理論。

孤傲的牛頓自然不會輕易認“輸”。不過，為了避免那位一直跟他過不去的胡克的糾纏（后來這對互相敵視的冤家還為引力定律等爭吵多年），他一度沒有公開他的光學研究進展。1704年，即胡克去世的第二年，牛頓才出版了他的《光學》一書。書中他陳述了波動說的幾種不足：

波動說不能很好地解釋光的直線傳播和光在方解石中的雙折射現象;波動說依賴于介質的存在，可并沒有什么證據表明天空中確有這樣的介質。

進入19世紀后，微粒說與波動說之爭又現波瀾。

英國物理學家和內科醫生托馬斯·楊在1800年左右做了一個實驗：讓光從一個很小但很亮的光源射出，再經過兩個極窄的矩形裂口到達一塊屏幕上。如果光是由粒子構成的話，那么，屏幕上的光應該是兩個矩形的小光圈。

然而，楊發現的卻是明暗相間的黑白條紋。這些光帶，正是大約140年前格里馬迪曾注意到的那種繞角衍射引起的，而微粒說對此并不能做出解釋。

之后，楊在《關于光與聲的實驗和問題》的論文中提出了否定微粒說的幾個理由：第一，強光和弱光源所發出的光線有同樣的速度，這用微粒說不好解釋;第二，光線由一種介質進入另一種介質時，一部分被反射，而另一部分被折射，用微粒說解釋也很牽強。

一時間，微粒說被逼到了死角。

可是，1808年，法國物理學家路易斯·馬呂斯無意中發現了光的偏振現象（光波在某一特定的平面上振動），而被視為縱波的光，是不可能發生這樣的偏振的。這一發現即刻成了反對波動說的有力證據。

隨后，楊經過進一步研究，提出光是一種橫波，并借此成功地解釋了光的偏振現象，波動說才得以擺脫困境。

1864年，英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋提出了電磁波的概念和一個新的理論——“場論”，推測“光本身（包括輻射熱和其他輻射）是一種電磁干擾，它是波的形式，并按照電磁定律通過電磁場傳播”。

隨著光的電磁理論的建立、檢驗以太理論的“邁克耳孫-莫雷實驗”以失敗告終，及至愛因斯坦的狹義相對論在20世紀初問世，以太終于退出了科學舞臺。人們開始接受電磁場本身就是物質存在的一種形式的概念，而場可以在真空中以波的形式傳播。

特別是，愛因斯坦在他1905年發表的有關“光電效應”的論文中引入“光量子”（后稱“光子”）概念，提出光的量子假說，認為光同時具有波動和粒子兩種特性——所謂“波粒二象性”，這才真正化解了微粒說與波動說長達數百年的爭執。這一理論成為量子力學發展中的一個里程碑，也為愛因斯坦贏得了1921年的諾貝爾物理學獎。

光譜儀的發明

光學的發展極大地推動了人類社會的進步。1859年，德國化學家羅伯特·本生與古斯塔夫·基爾霍夫一起發明了光譜儀。它可分析每一種元素所產生的獨特光譜，被頻繁用于化學中不同物質的識別和區分。