淺談光的本性認知發展歷程

師家慶

摘要：自然科學的發展是人類不斷揭露矛盾和克服矛盾的過程。它的不少規律和理論是直接從生產實踐中總結出來的，但也有很多的理論是在科學技術發展前提下對眾多的科學假說進行證實或者部分證實的產物，這一產物本身其實也不是完美的，而是一個新的、有質的飛躍的一個新的假說。其中，光學中對于光的本性——波粒二象性的描述就是很典型的例子。

關鍵詞：理論;科學假說;光學;波粒二象性

一、光學的早期發展

光學是一門古老而又年輕的學科。中國的《墨經》、希臘的《光學》等書中，均對光的一些規律進行了描述。從這時候開始，一直到15世紀末16世紀初是光學發展的萌芽時期。在這一階段，所有光學的研究均未涉及光的本性。

二、光的微粒說

17世紀中葉，人類開始對光的本質進行探討。

人們在光的反射、折射等理論的基礎上，提出了光的微粒說。最早由笛卡爾提出。在力學、數學、天文學的發展中作出巨大貢獻的牛頓發展了該模型，提出了光的微粒理論并著手通過實驗來驗證自己的假說。然而，在他的很多實驗中，結論指向了波動性，如牛頓環實驗等。由此使得牛頓在光的本性問題上猶豫了很久。微粒說可以很好地解釋光的直線傳播、反射、折射定律，但對于干涉、衍射、偏振等現象的解釋相當勉強，以致牛頓不得不在微粒說中添加了“振動”的因素，認為光微粒在傳播途中會受到媒質振動的影響，從而使得光的微粒說能夠站住腳。由于牛頓在自然科學界的巨大聲望，使得微粒說在整個18世紀占統治地位。

三、光的波動說

1655年，意大利數學教授格里馬第觀測放在光束中的小棍子的影子時，發現了影子的寬度和直線傳播前提下影子的寬度是有差距的。據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：讓一束光穿過小孔后照到暗室里的一個屏幕上。他發現光線通過小孔后的光影明顯變寬了。格里馬第進一步實驗，他讓一束光穿過兩個小孔后照到暗室里的屏幕，這時得到了明暗條紋。他認為這種現象與水波十分相像，從而得出結論：光是一種能夠作波浪式運動的流體。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。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，而是光照射在物體上產生的效果。他第一次記載了肥皂泡和玻璃球中的彩色條紋。這一發現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。

之后，荷蘭物理學家惠更斯在“以太”的假想和前人研究的基礎上提出了光的波動說。“以太”是一種假想介質，充斥著整個宇宙空間，光的傳播速度取決于“以太”的彈性和密度。

惠更斯的波動學說認為，光是“以太”的波動。通過與機械波類比，波動說很容易定性地說明干涉和衍射現象：如果加上惠更斯所作的“子波假設”，它也能定量地解釋反射定律和折射定律。

19世紀，楊氏實驗對光的本性的認知發展產生了極大推動。楊氏用干涉原理成功地解釋了雙縫干涉實驗及薄膜的彩色條紋。法國的菲涅爾使用數學工具，將惠更斯的子波假設和楊氏的干涉原理相結合，提出后人所謂的“惠更斯---菲涅爾原理”。即：波前上每一個點都可看做是次波中心，光場中某一點的擾動是包圍光源的任一閉曲面波前上所有點發出的次波在該點的相干疊加。該原理用波動理論完美地解釋了光的直線傳播規律。

當時，微粒說的支持者泊松根據該理論導出圓屏的陰影中央將出現亮斑的結論，他認為這個結論是荒謬的，試圖以此否定波動說。然而，之后不久很快就有人用實驗證明該亮斑確實存在，使得菲涅爾理論獲得了意外的強力支持。至此，波動說終于占據了光的本性的上風。

19世紀60年代初期，英國麥克斯韋在總結別人對電磁現象的研究結果的基礎上，得出了著名的麥克斯韋方程組。麥克斯韋預言出電磁波的存在，并且計算出電磁波在真空中的傳播速度與光速極為接近。為此，麥克斯韋進一步預言光是一種電磁波動。不過在麥克斯韋的預言中仍然假定光波是通過“以太”傳播的。

然而，波動說存在著一個很大的缺陷就是“以太”的假設。

為了解釋各種光現象，人們被迫賦予“以太”許多奇特的性質。如：“以太”應該滲入到一切透光物質中去，不阻礙物體的運動。這些性質類似于氣體的性質。但偏振現象的發現，使人們又不得不給它加上類似于固體的性質。更重要的是菲涅爾的“曳引系數”假定可以得出“以太”應該被運動媒質部分地帶動。但后期邁克爾遜-莫雷實驗卻導出了完全相反的結果：不能覺察任何地球和以太之間的相對運動。

四、光的波粒二象性

光究竟是粒子還是波呢？

20世紀初，物理學界相繼出現了相對論、量子力學理論。正是這些理論，決定了人們對光的本性的新的認識。

1900年，普朗克提出了“量子化”，認為物體的輻射必然是某一單元能量的整數倍，單元能量的數值正比于所發射光波的頻率。1905年，愛因斯坦提出了“光子”的概念。他認為物體的發光、光在傳播、與物質作用時均是量子化的。光電效應方程對光電效應的解釋、康普頓效應等很好地解釋了這一點。光的“微粒說”似乎又復活了，但此時的“微粒”和牛頓的“微粒”已全然不同。最終，在薛定鄂、海森伯、狄拉克和玻恩等人建立量子力學之后，光的粒子性與波動性被統一起來，確立了光的波粒二象性。

結束語

整個光的本性的研究是從原始樸素的微粒說—經典力學下的波動說—光子說和波粒二象性，經歷了肯定——否定——否定之否定的過程，這一過程是在其他背景知識不斷發展的前提下，沿著假說—理論—新假說—新理論……的途徑，不斷地向前發展的。當然，現在光的波粒二象性在目前相對論和量子力學的基礎上是成立的，但是隨著自然科學的發展，很有可能被再次推翻。我們不必因此而誠惶誠恐，因為這是我們對自然世界認知的一個質的飛躍。