什么是光.docVIP

什么是光”这个问题很早就引起了许多学者的关注，直到17世纪，基本上形成了两种学说。一种是牛顿支持的微粒说，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播。另一种是荷兰物理学家惠更斯（1629—1695）提出的波动说，认为光是某种振动，在弹性介质中以波的形式向周围传播。 微粒说很容易解释光的直进现象和光的反射。光射到镜面上，光微粒受到镜面的推斥，就好像弹性小球跟光滑平面发生碰撞一样，被反弹回去。然而，微粒说在解释一束光射到两种介质分界面处会同时发生反射和折射，以及几束光相遇后会彼此毫无妨碍地继续向前传播等现象时，遇到了很大困难。而波动说在解释这些现象时却轻而易举，因为这些现象都是波具有的特征。利用发波水槽做实验，可以看到水波同时有反射和折射现象；几列水波相遇时，能够互不干扰地互相穿过。然而，波动说在解释光的直进现象时，却遇到了困难，因为人们都知道各种波都不会像光那样在物体的后面留下轮廓清晰的影子。 光的微粒说和波动说各有成功的一面，但都不能完满地解释人们已经知道的一些光现象，只是牛顿在学术界的声望，致使微粒说统治了100多年。波动说发展很缓慢，一直到19世纪初期，人们成功地在实验中观察到了光的干涉和衍射现象，而干涉和衍射是波的特征，这是微粒说无法解释的，于是波动说得到了公认，光的波动理论也就迅速地发展起来。 ?光的“微粒说”与“波动说”之争 文/吕增建，陈小敏 人类对光的研究起源很早，但对光本质的认识经历了一个漫长的过程。光究竟是粒子还是波？从17世纪开始至20世纪初，“微粒说”与“波动说”两大理论，展开了激烈的争论，最终以光的波粒二象性而告终。正是这场争论，推动了科学的发展，并导致了20世纪物理学的重大成就——量子力学的诞生。 17世纪下半叶，分别以牛顿（I. Newton，1642-1727）和惠更斯（C. Huygens，1629-1695）为代表的、几乎同时提出了光的两种对立学说——微粒说（认为光是由微粒组成的粒子流）和波动说（认为光是类似于声波、水波那样的波动）。由于牛顿的威望，在牛顿以后的整个18世纪里，可以说牛顿的微粒说占据着绝对的统治地位。而惠更斯的波动说，由于其局限性：不能解释光的直线传播和偏振现象，波动说的支持者不但举不出光具有干涉和衍射特征的直接证据，就连本属于光的干涉现象的“牛顿环”和薄膜的彩色也不能给出令人信服的解释。另外，光速非常大，按照光的波动理论，要求以太的密度非常小而弹性模量非常大，这也是难以令人想象的。相比之下，光的微粒说更令人信服，但是光的波动理论并没有停止对微粒说的斗争。 波动说的支持者认为，之所以看不到光的衍射现象，是因为光的波长太短，如果障碍物的尺寸与光的波长相差不多，就应能看到光拐弯的现象，并还推测出光不仅有衍射现象，还应有干涉现象。有趣的是，由牛顿用来解释微粒说的“牛顿环”，到19世纪由托马斯·杨（T. Young，1773-1829）用波动说圆满地进行了解释。托马斯·杨修改了惠更斯的波动理论，并根据自己所发现的双缝干涉现象为波动说竖起了一面旗帜。他首次提出了光的干涉概念和干涉原理，并对光的衍射现象作了进一步的解释。他认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的，虽然这种解释不完全正确，但在波动学说的发展史上有着重要意义。 1817年，法国科学院决定把光衍射理论作为1819年悬赏征文的课题。主持这项活动的著名科学家毕奥（J. B. Biot，1774-1862）和泊松（S. D. Poisson，1781-1840）都是微粒说的积极拥护者。他们的本意是希望通过这次悬赏征文，鼓励用微粒理论解释衍射现象，以期微粒说取得决定性的胜利。然而，出乎意料的是，不知名的学者菲涅尔（A. J. Fresnel，1788-1827）以严谨的数学推理，从光的横波观点出发，圆满的解释了光的偏振现象，并用半波带方法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射图样，结果与实验非常一致，取得了很大成功，使评委会大为惊讶。之后，主持悬赏征文活动的泊松运用菲涅尔的方程推导圆盘衍射，得到了一个令人惊讶的结果：在圆盘后方一定距离的屏幕上，圆盘影子的中心将出现亮点。泊松认为这是不可想象的荒谬结论，于是就声称驳倒了光的波动说理论。后来，人们通过实验精彩地证实了菲涅尔的理论，圆盘影子的中心处果然出现了亮点。这一事实轰动了法国科学院，菲涅尔当之无愧地荣获了这一届的科学奖，后来人们戏剧性称这个亮点为“泊松亮点”。由此，光的波动说又战胜了微粒说，使光学又进入了一个新的时期——弹性以太光学时期。1865年，麦克斯韦（J. C. Maxwell，1831-1879）建立了电磁场理论，预言了电磁波的存在，指出光也是电磁波。这样，就为光现象建立了全面、完整、严谨的理论。1887年，赫兹（H. R. Hertz，1857-