西方古代和中世紀的光學(xué)成就簡述.doc

光學(xué)的發(fā)展 西方古代和中世紀的光學(xué)成就簡述 古代人對于光現(xiàn)象的記載和研究是和日常生活、觀察天象、占星問卜等同時開始的，因此歷史上的光學(xué)幾乎與力學(xué)、數(shù)學(xué)等一起成為人們探索自然奧秘的最早部門但由于光的物理本性不象力的本性那樣比較容易為人們認識，因此古代光學(xué)基本上停留在對幾何光學(xué)現(xiàn)象的描述與總結(jié)上，作為一門科學(xué)，發(fā)展比較緩慢從光學(xué)器具看，中國的青銅鏡早就應(yīng)用，而玻璃和琺瑯在埃及、希臘、羅馬發(fā)現(xiàn)較早柏拉圖學(xué)園（ 428348 BC）的教學(xué)內(nèi)容中就已有光的直進和反射角與人射角相等的內(nèi)容（反射定律的發(fā)明者已不可考） 歐幾里德（ Euclid，約330275 BC）在光學(xué)）一書中說：“我們假想光是直線進行的，在線與線之間還留出一些空隙米，光線自物體到人眼成為一個錐體，錐頂就在人眼，錐底在物體只有被光線碰到的東西，才能為我們看見”這就是“流出論”的根據(jù)但原子論者則主張一切感覺都是從物體發(fā)出的物質(zhì)流引起的亞里士多德介于二者之間，主張“視覺是在很睛和可見物體之間的中介者運動的結(jié)果”公元二世紀時托勒密（70147）寫了光學(xué)一書他用如圖61裝置第一次得出折射的數(shù)據(jù)（見下表） 折 射 角入射角 托勒密值 現(xiàn) 代 值10 8 72920 1531 145230 2230 22140 29 284950 35 35460 4030 403070 4530 444880 50 4736 盤 A 空氣 r 水 B 圖為 托勒密實驗 由空氣射入水中的折射托勒密的結(jié)論并不準確，他認為折射角與入射角成正比。中世紀阿拉伯人阿爾加桑（ Alhazen， 965-1038）也寫了一本光學(xué)，他通過解則知識正確指出眼的視覺功能，改進了托氏儀器，指出入射線、折射線與法線在一平面內(nèi)，他還提出了有名的“阿爾加桑問題”。從物點發(fā)出的光是如何匯集到限內(nèi)成像的？他還通過晚霞的持續(xù)時間，計算出當時太陽處于地平線下10，估算出大氣層高度為52000步，后來開普勒指出這個計算結(jié)果不對，但物理思想是可貴的，阿爾加桑光學(xué)的拉丁文譯本在十三世紀曾激勵波蘭數(shù)學(xué)家維特洛（Vitello）去研究光學(xué) 折射定律的建立 望遠鏡出現(xiàn)后，為了改善天文、航海與戰(zhàn)爭中這一必備的利器，需要不斷改善已有的光學(xué)元件的制備和提高望遠鏡的倍數(shù)，這就不能沒有正確的理論研究 開普勒在1604年發(fā)表了對維特洛光學(xué)論文的注釋，1611年發(fā)表了屈光學(xué)，他認為折射角廠由兩部分組成，一部分正比于入射角i，另一部分正比于人射角的正割sect只有在小于30時，托勒密的正比例定律才適用在光近乎垂直入射時，i：r3：2，他還得出玻璃的折射角不會超過42根據(jù)光路的可逆性，他得出存在有全反射現(xiàn)象的結(jié)論在這些工作的基礎(chǔ)上，他求出了曲率相等的雙凸透鏡的焦距和平面透鏡的焦距，并設(shè)計了他的望遠鏡 荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅耳（ Willebroad Snel1， 15911626）在大約1621年發(fā)現(xiàn)了折射定律，如圖，水中點F從空氣中看好象在C點，斯涅耳發(fā)現(xiàn)，對于任意人射角， 常量這一定律是斯涅耳1626年去世后在他的遺稿中找到的，而第一個利用粒子（“網(wǎng)球”）模型推證這一定律使其具有現(xiàn)代形式的正是笛卡兒，他把余割之比換成了正弦之比光的本性在自然界里，光是人們?nèi)粘Ｉ钪凶钍煜さ囊环N現(xiàn)象，光能使世界上一切物體呈現(xiàn)出它們的形狀和顏色我們賴以生存的氧氣和食物的產(chǎn)生，也是以植物的光合作用為基礎(chǔ)的?？傊祟惖纳铍x不開光 多少世紀以來，科學(xué)家們?yōu)樘剿鞴獾谋拘宰髁舜罅康膶嶒灒岢隽嗽S多理論，但是至今還沒有能得出最終的、根本性的回答。 人們根據(jù)實驗很早就已經(jīng)了解了一些基本光學(xué)現(xiàn)象：光沿直線傳播；光從鏡面反射的角度等于它射向鏡面的角度（反射）；光束從空氣進入玻璃、水或者其他透明物體時，會發(fā)生偏折（折射）；各束光可以彼此交叉通過而不相互干擾。雖然這些規(guī)律早為人們確定，但是它們所包含的深刻內(nèi)容還遠遠沒有為人們認識清楚。究竟光是什么？即關(guān)于光的本性這個問題的認識，在不同的歷史發(fā)展階段，是不斷變化著的，甚至在同一歷史時期，也存在兩種截然相反的觀點。十七世紀，為了解釋這些基本規(guī)律，形成了兩大學(xué)派：一派是牛頓主張的“微粒說”，另一派是由惠更斯倡議的“波動說” 。光的本性是什么？對這個問題自古以來就有不同的回答?？茖W(xué)發(fā)展到十七世紀，就形成了一場關(guān)于光的本性的爭論，也就是微粒說和波動說之爭。這場爭論，是科學(xué)（特別是光學(xué)）發(fā)展的產(chǎn)物，同時又成為科學(xué)新發(fā)展的動力之一。微粒說是以牛頓為代表，波動說則是以胡克、惠更斯為代表。 1666年，英國科學(xué)家牛頓做了探討光本性的第一個重要實驗：他讓太陽光通過一塊三角棱鏡，經(jīng)棱鏡射出的光束是一條按紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫順序排列的彩色光帶。這種光帶就稱為“光譜”。白光就是由這幾種光混合而成的。為了解釋這些光學(xué)現(xiàn)象，牛頓提出了光的微粒說；他認為：光是由彈性微粒流組成，由光源發(fā)出，以高速作直線運動。牛頓以此為論據(jù)。闡明了光沿直線傳播的性質(zhì)及反射定律，也解釋了光的折射現(xiàn)象。他認為光的傳播速度決定于煤質(zhì)的密度，煤質(zhì)的密度越大，光在其中傳播的速度也越大。根據(jù)他的假設(shè)，光在水、玻璃中的速度大于空氣中的速度。但以后的實驗結(jié)果與此恰恰相反，證明牛頓的這一結(jié)論是謬誤的。1672年2月6日牛頓送交皇家學(xué)會的一封信“關(guān)于光和色的新理論”一文，牛頓說出了自己關(guān)于光的物質(zhì)性的見解，認為“光線可能是球形的物體”，這就是我們通常所說的光的微粒說。牛頓用這種觀念。很容易解釋光的直線傳播，同時也能解釋光的反射和折射。但是這篇著作卻引起了激烈的論戰(zhàn)。在這場論戰(zhàn)中，反對牛頓對于光的本性的微粒見解的人是胡克。胡克主張光是一種振動。他舉出金剛石受到摩擦、打擊或加熱時，在黑暗中會發(fā)光的例證來說明光必定是一種振動。同時他還以金剛石的堅硬特性，提出這種振動必定是短促的。當討論了光的直線傳播和光速有限之后，胡克認為，在一種均勻煤質(zhì)中，這一運動在各個方面都以相等的速度在傳播，于是發(fā)光體的每一個脈動或振動都必將成一個球面。這個球面將不斷地擴大，就如同把一石塊投入水中后，在水面一點周圍的環(huán)狀波膨脹為越來越大的圓圈那樣（盡管肯定要快得多）。由此可知，在均勻煤質(zhì)中擾動起來的這些球面的一切部分都與射線交成直角。由此可見，胡克實際上已接觸到了波前和波面的概念了。 胡克與牛頓爭論時，提出不少問題，特別是微粒說所不能解釋的一些事例。為了回答胡克提出的問題，牛頓又進一步研究，想辦法如何來完善自己的假說和理論。由于牛頓對振動和波動過程有一個嚴格的了解并有一個嚴整的數(shù)學(xué)原理，所以他在與胡克爭論過程中，認為在自己的關(guān)于光的粒子結(jié)構(gòu)的理論中，作出的結(jié)論是正確的，但是他也表明作出這個結(jié)論并沒有絕對肯定，所以只能用兩個字來表示：“可能”。進而認為這個結(jié)論在極端的情況下，僅是自己學(xué)說的大概的結(jié)果，而不是它的基本前提。 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大的振動相結(jié)合的新假說。論文中寫道：“以大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。因為假定光線是從發(fā)光物質(zhì)向各方面發(fā)射出去的小的微粒的話，那末當它們碰到任何一種折射或反射表面時，就必然要在以大中引起振動，正象石塊被投到水中時要引起振動樣。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?！薄爸挥羞@樣它才能如此普遍而無所不包，以致把其他的假說也都包羅在內(nèi)，而不需要創(chuàng)造什么新的假說”。 除此之外，牛頓在1675年12月21日寫信給奧爾登堡（Henry Oldenbu，當時皇家學(xué)會的秘書）的信中在談到他和胡克看法不同之處，牛頓認為，“除了假定以大是一種能振動的媒質(zhì)以外，我和他沒有什么共同之點。然而我對這個假定有和他很不相同的用法：他認為能振動的以大就是 光本身，而我則認為它不是。這是一個很大的差別，正如他和笛卡兒的差別很大一樣?！迸ｎD在其他的論文中又提出并確立了光的周期性。 當牛頓在皇家學(xué)會宣讀新的論文、闡述新的假說時，胡克卻提出了關(guān)于優(yōu)先權(quán)的要求。于是牛頓在憤慨之下，決定不發(fā)表光學(xué)著作。而牛頓的多年來的光學(xué)研究成果，只是在1704年間克死后的一年發(fā)表在他的光學(xué)著作中。這一偶然事件，看來是影響了光學(xué)的發(fā)展。波動論的先驅(qū)者是英國的羅伯特胡克（一六三五一七0三年），但最先將它系統(tǒng)化的是荷蘭的惠更斯（一六二九一六九五年）?；莞拐J為，光是充滿宇宙的光介質(zhì)的波動，關(guān)于光波的傳動方法，叫做所謂的惠更斯原理。他雖然運用這個理論很好地說明了光的折射和波動，但沒能充分地說明光的直射。此外，也沒能充分地說明一六六九年發(fā)現(xiàn)的冰州石的雙折射，這是日為他把光行成是縱波（介質(zhì)的振動方向同波的前進方向一致）的緣故。荷蘭科學(xué)家惠更斯是牛頓同時代的人，他提出了光的“波動說”。他認為：光是一種機械波，和聲波一樣，它依靠煤質(zhì)來傳播、光在水、玻璃等折射煤質(zhì)中傳播速度比在空氣中蝕而且各種顏色的光波長不同，傳播速度也不一樣，波長越短，傳播速度越慢，因此紫光偏折最厲害。波動說能解釋光交叉通過而彼此不發(fā)生干擾的問題，但波動說不能解釋光的直線傳播。微粒說與波動說爭論不休，基于當時的實驗條件及方法，無法用實驗事實判斷兩種學(xué)說的優(yōu)劣。因為微粒說能夠自然地、直觀地說明光的直進現(xiàn)象，所以較易為人們所接受。在物理學(xué)上，牛頓是絕對的權(quán)威，因此，在他死后大約一百年，粒子論甚囂塵上，而波動論則被人們遺忘了。波動光學(xué)的興起在牛頓1704年出版光學(xué)一書以后，差不多相隔整整一個世紀（光學(xué)包括對光的本性的認識）進展不大，過去都把這一切歸罪于牛頓的威望。到了十九世紀光學(xué)的發(fā)展才有所突破，特別是物理光學(xué)的發(fā)展得到了長足的進步，開始了波動光學(xué)的英雄時期；這一時期從1800年一直持續(xù)到十九世紀三十年代，而這一發(fā)展主要發(fā)生在英國和法國，其代表人物是托馬斯揚和菲涅耳。 托馬斯楊十九世紀法國科學(xué)家托馬斯楊系統(tǒng)地解決了有關(guān)波動的數(shù)學(xué)問題，同時光的雙縫干涉實驗的結(jié)果也支持了光的波動說。英國物理學(xué)家兼醫(yī)生1773年6月13日生于薩默塞特的米爾佛頓；1829年5月10日卒于倫敦。 揚是一個神童。他兩歲能讀書，四歲就已兩次通讀圣經(jīng)。他在青年時期，就學(xué)會了十幾門外語，不僅包括希臘語、拉丁語和希伯來語，而且還有阿拉伯語、波斯語、土爾其語和埃塞俄比亞語。他還能演奏包括風笛在內(nèi)的多種樂器。他是那種成人后仍是天才的最佳神童，在劍橋人稱“奇跡揚”。有錢的叔父死后，他便在劍橋過起富裕閑適的獨立生活。 楊開始學(xué)醫(yī)，并在愛丁堡大學(xué)年邁的布拉克“指導(dǎo)下修業(yè)。后來他去德國，并于1796年在戈丁根大學(xué)取得博士學(xué)位，遂于二799年在倫敦開業(yè)行醫(yī)。從1801年到1803年期間，揚在朗福德伯爵新創(chuàng)辦的皇家學(xué)院講授自然科學(xué)，1802年被任命為皇家學(xué)會的外交秘書。 由于揚對病人缺乏和藹體貼的態(tài)度，所以他作為一名醫(yī)生并不成功。 揚對感官知覺發(fā)生了興趣。他第一個發(fā)現(xiàn)（還在學(xué)醫(yī)時沖已球晶狀體在注視距離不同的物體時改變形狀的方式。1801年，他敘述了散光的原因，認為視覺模糊是由角膜曲率不規(guī)則引起的。 從研究眼睛走向研究光本身是自然而然的一紙一個多世紀以來，關(guān)于光是由粒子組成還是由波組成的爭論一直沒有停息。粒子論者在爭論中占很大優(yōu)勢。反對波動說的一個最重要的根據(jù)是光投影清晰，不象聲波那樣能繞角行進。也有一些人提出，波長越短，拐彎能力就越小；因而提出光的波長可能短到使拐彎極其微小的程度。事實上，格里馬爾迪在一個半世紀以前就已發(fā)現(xiàn)這種微小的彎曲，但他的觀察卻被大家忽視了、因此，以更加戲劇性的方式論證光的波動性質(zhì)，便成了揚的任務(wù)。揚于1803年實現(xiàn)了此項證明。他讓光透過極窄的縫隙，結(jié)果并不是看到縫隙的清晰影象，而是看到了一條條光帶。這些光帶是由格里馬爾迪曾注意到的那種繞角衍射引起的，這是粒子說所不能解釋的。 揚還有一個更加有力的根據(jù)。他通過聲學(xué)研究，對拍這一現(xiàn)象發(fā)生了興趣。所謂拍，就是不同音調(diào)的兩個聲音合在一起時，使聲音時斷時強的效果。這一點很容易解釋，因為兩種音調(diào)波長不同，因而就不能步調(diào)一致。兩種聲波最初可能暫時同步，兩個波峰就互相加強而產(chǎn)生強聲。然后，這兩個聲波又失步，這時，一個波將空氣分子推向一個方向，另一個波又將空氣分子推向相反方向，結(jié)果空氣分子不動無聲。 那么兩種光波相加，會不會產(chǎn)生暗區(qū)呢？如果光是粒子，就不眠如果光是波，就能產(chǎn)生暗區(qū)。揚讓光束通過兩個小孔，透過的光便散開重疊。重疊區(qū)并不是一個簡單的強光城，而是形成一種亮暗交錯的條形圖案，與聲學(xué)中的拍完全相似。這個現(xiàn)象稱為干涉。 揚的工作最初在英國遭到很大的敵視主要由一個私敵亨利布魯厄姆的敵意所致。加之他用的數(shù)學(xué)艱深，敘述也嫌含糊；又由于粒子論是牛頓提出的，是地地道道的“國貨”。因此，英國物理學(xué)家抵制粒子論，還是有心理上原因的。當然，在英國也有人支持他，如沃拉斯頓。（民族自尊心常常在科學(xué)上起著作用幾乎總是起一種有害的作用。）所以繼續(xù)揚的這一工作的是法國人菲涅耳和阿拉戈。他們證實了揚的研究成果，擊敗了粒子說。（如果不是永遠，也至少有將近一個世紀。） 楊根據(jù)其衍射實驗?zāi)軌虻玫娇梢姽獾牟ㄩL，這只需要算出什么樣的波長能產(chǎn)生出觀測到的彎曲度便可以了。算出的波長確實很小，還不到百萬分之一米。 揚對光的興趣，又導(dǎo)致他考慮色彩的感覺方式。他第一個提出，各種不同的顏色，不一定需要有各種不相同的生理機能才能感覺到。只要有幾種比如，紅、綠、藍三種顏色的感覺機能就夠了。以不同比例混合這三種顏色，就會產(chǎn)生無窮無盡的各種顏色。半個世紀以后，亥姆霍茲進一步提高了這個理論。因而，人們通常把它稱為揚亥姆霍茲三色論。 即使承認光波的存在，關(guān)于光仍然還存在一個重要問題：光波是什么類型的波呢？它可能是水的表面波那樣的橫向波，與整個波列的前進方向成直角地振動；或者可能是聲波那樣的縱向波，振動的方向與波列行進的方向相同。光的波動說的所有早期擁護者，尤其是惠更斯，幾乎都認為光波當然是縱向波，揚起初也這樣認為。但是縱波說解釋不了巴托林首先注意到的雙折射現(xiàn)象。1817年，揚在給阿拉戈的信里寫道，光波必定是橫向波，才可以解釋雙折射現(xiàn)象。在這點L，揚是正確的。 揚除了對光感興趣外，對能的形式也感興趣。他于1807年首先賦予能這個同以現(xiàn)代意義，即定義能量是使某系統(tǒng)可以做功的特性，并指出能與物體質(zhì)量和其速度的平方的乘積成正比。同一年，他還引用朗福德的實驗來駁斥熱質(zhì)說。然而，如今該輪到法國物理學(xué)家感到難以舍棄拉瓦錫發(fā)明的“國貨”了。直到半個世紀以后，熱質(zhì)說才被英國人麥克斯韋推翻。 揚還在促進了解液體表面張力方面做出了貢獻，以及對彈性物質(zhì)的本質(zhì)有所揭示。在表示彈性物質(zhì)特性的方程中所用的一個常數(shù)，現(xiàn)在仍然稱為揚氏模量。 好象這些豐富多彩的活動還不夠似的，揚還為大英百科全書撰寫了許多各類的文章。他的才能越出了物理和生物這兩門學(xué)科，甚至還研究了古埃及人的楔形文字這個難題，并曾先在解釋這種文字上做出成就1818年，這位醫(yī)生兼物理學(xué)家竟寫出一篇關(guān)于埃及的權(quán)威性論文，使當時那些專業(yè)歷史學(xué)家相形見絀。一束光穿過兩個十分靠近的小孔投射到一個屏上時，會發(fā)生一系列明暗交替的條紋，這就是光的干涉。干涉現(xiàn)象是頻率和振動方向相同，并有恒定位相差的兩列波相遇時所特有的現(xiàn)象。兩束光波在屏上相遇時。不是簡單的強度相加，而是在兩列波位相相同處振動加強，即振幅相加出現(xiàn)亮條紋，在另一些地方兩列波位相相反，振動減弱，振幅相減出現(xiàn)暗條紋。因此屏上會出現(xiàn)明暗相間的條紋。從干涉條紋的測量中，可以算出光的波長，光的波長是很小的，通常我們用做單位。I等于一億分之一（108。）厘米。不同顏色的光有不同的波長，我個肉眼可以觀察到的光稱為可見光，約在40007000，紫光的波長約為 4000，紅光的波長約為7000。衍射也是波的一種特有的現(xiàn)象。波在傳播過程中，繞過障礙物的邊緣或孔隙時所發(fā)生的現(xiàn)象稱為衍射。例如室內(nèi)的講話聲能繞過門窗而達室外，這就是聲波的衍射現(xiàn)象。我們?nèi)粘Ｉ钪锌?到光遇到障礙物時只投下一個清晰的影子（這正是光直線傳播的現(xiàn)象人卻沒有觀察到衍射現(xiàn)象。但事實并非如此，光只有通過那些大小與它波長相近的障礙物時才會產(chǎn)生衍射，而光波的波長比日常生活中所見的普通物體的尺寸要小得多，甚至連細菌的尺寸也比光的波長大得多，因此平時光只表現(xiàn)出直線傳播的方式，而不易觀察到它的衍射現(xiàn)象。當障礙物的尺度小到能與光波長相比擬時，光也象聲波一樣會繞過它產(chǎn)生衍射圖樣。1818年菲涅耳用實驗作了證實。菲涅耳 法國物理學(xué)家。1788年5月10日生于諾曼底，厄爾的布羅格里；1827年7月14日卒千 巴黎附近的維日阿布日里。 菲涅耳完成了楊關(guān)于光的波動說的研究。但菲涅耳這個建筑師的兒子不象揚那樣是個神童，恰恰相反。他到了八歲才能認字。然而他的才智隨著年歲的增長日趨卓絕。他成了土木工程師，一生中主要在政府中供職。1814年曾有過短期中斷那是由于他反對拿破侖從厄爾巴島流放地復(fù)辟回朝，因此被關(guān)進監(jiān)獄，失去了職務(wù)?？墒悄闷苼鰪?fù)辟僅一百天，便以滑鐵盧慘敗而告終。菲涅耳遂得以復(fù)職。 大約在1814年，菲涅耳漸漸對光的問題發(fā)生興趣，獨立地做了揚在十年前所做過的一些實驗。阿拉戈讀了菲涅耳的報告就轉(zhuǎn)向波動說。他叫菲涅耳注意楊的類似成果，從而加速了菲涅耳的研究。這位法國人開始為波動說建立一個完善的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。 惠更斯在一個半世紀以前就建立了一部分有關(guān)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，但菲涅耳比他進了一步。譬如，惠更斯及其以后的所有波動說者（但胡克除外，他的隨心所欲的推測曾多次打中目標）都認為，如果光波存在，就應(yīng)是縱向的，即象聲波一樣，在傳播路線上前后振動，揚最后提出光被可能象水的表面波一樣是橫向地，即與傳播路線垂直地振動。菲涅耳立即采納了橫波觀點，并為這種觀點建立了必要的理論基礎(chǔ)。橫波說的最大勝利是解釋了巴托林所發(fā)現(xiàn)的光通過冰洲石時的雙折射現(xiàn)象。無論是粒子說還是縱波說，都不能解釋這種現(xiàn)象，然而橫波說卻能夠解釋它。菲涅耳指出，光可通過兩個不同角度折射，因為一道光線是在某個平面內(nèi)振動的波，而另一道光線則是在與第一個平面垂直的平面內(nèi)振動的波。因此，在一定條件下，這兩道光線理應(yīng)具有不同性質(zhì)因此被某此固體以不同程度折射。按照菲涅耳的觀點，普通光是由以垂直十傳播路線的所有可能的方向作相同振動的波組成的；如果振動方向分布不均勻，就是偏振光馬呂斯起先不治當?shù)胤Q它為“極化光”；當振動只限于單個平面時，如通過冰洲石的光線，這種光就稱作平面偏振光。 菲涅耳用這一新觀點設(shè)計了燈塔用透鏡，這種透鏡比其所取代的反光鏡有效得多。此外，對偏振光的認識，通過一代人以后巴斯德“的研究，使它在有機化學(xué)中獲得重要的應(yīng)用。 阿拉戈和菲涅耳合作了一段時間但當后者采納橫波說時，他就膽怯地退縮不干了。后來他回心轉(zhuǎn)意但菲涅耳卻已單獨公布了他的成果并獨自獲得了榮譽。 使阿拉戈驚恐的困難是，如果光的確是波，就應(yīng)當存在某種充當振動角色的物質(zhì)。早期的波動說論者假定有一種充滿空間及所有透明物質(zhì)的“以太”。光就是這種以太中的波。以太就以載著光通過似乎是一無所有的真空，因此稱之為“光載以太”；（“以太”一同來自亞里士多德”，他認為它是構(gòu)成天體的第工原質(zhì)） 如果光波是縱向的，便可將以太看成一種象氣體例的十分稀薄的物質(zhì)用普通儀器測不到。這樣接受這種觀點便沒有什么困難，或者至少不會比接受道爾頓的不盯測原子的觀點更困難。但是，橫向波只能透過固體而如果光波是橫向的，就應(yīng)將以大視為一種固體，而已就光的速度判斷，以大還應(yīng)當是一種非常堅硬的固體。假使那樣，行星怎么能通過以大而未受到任何可覺察的妨礙呢？因此，象布魯斯特等人認為，與其接受這樣一種以太，不如干脆拒絕接受波動說。因是柯西的觀點能夠被其他人接受，但菲涅耳的研究成果普遍為物理學(xué)家們所接受，梅倫尼則將它擴展到可見光譜之外。 菲涅耳因其研究成果在去世半年前獲得了英國皇家學(xué)會頒發(fā)的朗福德獎?wù)隆?雖然如此，波動說也存在重大的缺點。振動的傳播必須要有彈性煤質(zhì)，傳播光的煤質(zhì)是什么呢？我們能看到遙遠大空中閃閃發(fā)光的星，卻永遠也聽不到地球之外任何地方無論多響的爆炸聲，這說明光可以通過真空傳播，也即傳播光的煤質(zhì)存在于真空之中。當時為了自圓其說，不得不臆造一種“以大”介質(zhì)。這種“以大堤一種無孔不入的煤質(zhì)，它不僅充滿整個宇宙，還滲透于切物體之中。不僅如此，光的偏振性實驗說明了光是一種橫波，物理學(xué)理論指出，只有固體才能傳播橫渡，那么“以太”必須是一種固體，這種“固體以太”必須極端堅硬，才能以光速那樣巨大的速度傳播光?？傊?，“以太”是一種極為神秘的難以想象的物質(zhì)，用它作為傳播光的煤質(zhì)，給波動說本身帶來了不可克服的困難。泊松光班的由來 法國著名物理學(xué)家菲涅耳是光的波動學(xué)說的先驅(qū)，他以高超的實驗技巧和杰出的數(shù)學(xué)才能建立了光的衍射實驗和理論，從而穩(wěn)固地確立了波動學(xué)說在物理學(xué)史上的地位1814年，菲涅耳開始致力于光的本性的研究，他再空重現(xiàn)了托馬斯揚于1801年建立的光的雙縫干涉實驗，并用惠更斯于波原理對這一現(xiàn)象做出了完美的解釋與此同時，他開始研究小孔衍射的問題。 1817年，法國科學(xué)院舉行一次關(guān)于光的本性問題的科研成果最佳論文競賽，菲涅耳加緊了研究工作；他在他弟弟的幫助下，成功地提出了惠更斯菲涅耳原理（后人的稱呼），并利用這一原理出色地解釋了光的直線傳播規(guī)律，提出了光的衍射理論的子波解釋，并于1818年提交了論文科學(xué)院成立了一個評委會，評委會的成員中有波動說的支持者阿拉果。有波動說的反對者泊松、畢奧、拉普拉斯、有中立者蓋呂薩克盡管不少成員不用信菲涅耳的觀念，但是最終還是被菲涅耳數(shù)學(xué)上的巨大成功及其與實驗上的一致性所征服，并桿子地優(yōu)勝獎油松想推翻菲涅耳的觀點，就借助下坡動理論對衍射理論進行了詳細的分析他發(fā)現(xiàn)：用一圓片作為遮擋物時，光屏的亮斑中心應(yīng)出現(xiàn)一個亮點（或者用圓孔做實驗時，應(yīng)該在圓孔的中心出現(xiàn)一個暗斑）。這是令人難以淚信的事實，過去也未曾有人見到過菲涅耳又經(jīng)過嚴密的數(shù)學(xué)計算后發(fā)現(xiàn)，只有當這個圓片的半徑很小時，這個亮點才比較明顯（或圓孔很小時，暗斑明顯）事后，菲涅耳和阿拉果精心設(shè)計了一個實驗、確認了這一亮斑的存在，證明了這一預(yù)言的正確性。 這個初看起來似乎是荒謬的結(jié)論，是泊松一研究菲涅耳論文時把它當作謬誤提出夫的，但卻成了支持波動說的強有力的證據(jù)后來人們?yōu)榱思o念這極有興趣的事實，就把衍射光斑中央出現(xiàn)的亮斑（或暗斑）稱為“泊松光斑”十九世紀英國物理學(xué)家麥克斯韋天才地總結(jié)了所有當時已知的關(guān)于電磁學(xué)的經(jīng)驗知識，把它們總結(jié)為一組數(shù)學(xué)方程麥克斯韋電磁方程組。它有兩種形式：微分形式和積分形式。從方程組出發(fā)，麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在。麥克斯韋理論表明：變化著的電場和磁場以每秒30萬公里的速度在真空中傳播，即電磁波的傳播速度恰好等于光速，于是他大膽預(yù)言光也是一種電磁底1888年赫茲用實驗證實了電磁波的存在，但是電磁波理論的基礎(chǔ)還需要用所謂“電磁以大”為煤質(zhì)，只是它代替了“機械以大”。 從麥克斯韋電磁理論確定以后，除了用實驗來證實“以太”的存在之外，光的波動理論似乎已可以圓滿地解釋一切有關(guān)光的傳播現(xiàn)象。光在一些場合下表現(xiàn)為波動，而在另一些場合下又以“粒子”的面貌出現(xiàn)，這就是通常人們所說的“光波”和“光子”。上面說過，這種波粒二象性也是近代物理學(xué)對微觀世界中粒子的一種描述。 電磁理論把光看成是一種具有一定頻率、在空間傳播的交變電磁場電磁波，即“光波”。量子理論則認為光是由一份一份的粒子“光子”組成的。用“光波”和“光子”，即電磁理論和量子理論，已經(jīng)可以精確地解釋光學(xué)現(xiàn)象，從這方面看?？梢哉f人們對光的本性已經(jīng)很好地了解了。 十九世紀末，許多人認為經(jīng)典物理學(xué)已發(fā)展到可以解釋一切的程度，除了漂浮著兩朵小小的烏云外，物理世界是一片清澈的晴空。這兩朵烏云就是兩個理論上沒有能得到滿意解釋的光學(xué)實驗：邁克爾遜莫雷關(guān)于“以太”運動的實驗和黑體輻射。邁克爾遜莫雷的實驗是：使干涉儀光束的方向和地球運動的方向成各種不同的角度，觀察兩束光返回迭加時形成條紋的變化，條紋的變化相當于位相差的變化