光的本質(zhì)波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)的交鋒.doc

光的本質(zhì)波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)的交鋒 十七世紀(jì)初，在天文學(xué)和解剖學(xué)等相關(guān)學(xué)科的推動(dòng)下，并伴隨著光學(xué)儀器的發(fā)明和制造，光學(xué)這一曾經(jīng)神秘的領(lǐng)域也被卓越的科學(xué)探秘者開(kāi)拓出了一塊醒目的空間到十七世紀(jì)末，光學(xué)已經(jīng)成為了物理學(xué)的一個(gè)重要分支，是物理學(xué)中應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)部門 其中，幾何光學(xué)的發(fā)展最為迅速，由荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅爾發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確的折射定律對(duì)于光學(xué)儀器的改進(jìn)具有首要意義，并為研究整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)提供了計(jì)算的可能隨著幾何光學(xué)的發(fā)展，物理光學(xué)的研究也開(kāi)始起步在人們對(duì)物理光學(xué)的研究過(guò)程中，光的本性問(wèn)題和光的顏色問(wèn)題成為焦點(diǎn)關(guān)于光的本性問(wèn)題，笛卡兒在他方法論的三個(gè)附錄之一折光學(xué)中提出了兩種假說(shuō)一種假說(shuō)認(rèn)為，光是類似于微粒的一種物質(zhì)；另一種假說(shuō)認(rèn)為光是一種以“以太”為媒質(zhì)的壓力雖然笛卡兒更強(qiáng)調(diào)媒介對(duì)光的影響和作用，但他的這兩種假說(shuō)已經(jīng)為后來(lái)的微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)的爭(zhēng)論埋下了伏筆（一）胡克與牛頓的交鋒十七世紀(jì)中期，物理光學(xué)有了進(jìn)一步的發(fā)展1655年，意大利波侖亞大學(xué)的數(shù)學(xué)教授格里馬第在觀測(cè)放在光束中的小棍子的影子時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)了光的衍射現(xiàn)象據(jù)此他推想光可能是與水波類似的一種流體格里馬第設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：讓一束光穿過(guò)一個(gè)小孔，讓這束光穿過(guò)小孔后照到暗室里的一個(gè)屏幕上他發(fā)現(xiàn)光線通過(guò)小孔后的光影明顯變寬了格里馬第進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，他讓一束光穿過(guò)兩個(gè)小孔后照到暗室里的屏幕上，這時(shí)得到了有明暗條紋的圖像他認(rèn)為這種現(xiàn)象與水波十分相像，從而得出結(jié)論：光是一種能夠作波浪式運(yùn)動(dòng)的流體，光的不同顏色是波動(dòng)頻率不同的結(jié)果格里馬第第一個(gè)提出了“光的衍射”這一概念，是光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)最早的倡導(dǎo)者格里馬第1663年逝世，他的重要發(fā)現(xiàn)在1665年出版的書中進(jìn)行了描述1663年，英國(guó)科學(xué)家波義耳提出了物體的顏色不是物體本身的性質(zhì)，而是光照射在物體上產(chǎn)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(fā)現(xiàn)與格里馬第的說(shuō)法有不謀而合之處，為后來(lái)的研究奠定了基礎(chǔ)不久后，英國(guó)物理學(xué)家胡克重復(fù)了格里馬第的試驗(yàn)，并通過(guò)對(duì)肥皂泡膜的顏色的觀察提出了“光是以太的一種縱向波”的假說(shuō)根據(jù)這一假說(shuō)，胡克也認(rèn)為光的顏色是由其頻率決定的然而1672年，偉大的牛頓在他的論文關(guān)于光和色的新理論中談到了他所作的光的色散實(shí)驗(yàn)：讓太陽(yáng)光通過(guò)一個(gè)小孔后照在暗室里的棱鏡上，在對(duì)面的墻壁上會(huì)得到一個(gè)彩色光譜他認(rèn)為，光的復(fù)合和分解就像不同顏色的微粒混合在一起又被分開(kāi)一樣在這篇論文里他用微粒說(shuō)闡述了光的顏色理論第一次波動(dòng)說(shuō)與粒子說(shuō)的爭(zhēng)論由“光的顏色”這根導(dǎo)火索引燃了從此胡克與牛頓之間展開(kāi)了漫長(zhǎng)而激烈的爭(zhēng)論1672年2月6日，以胡克為主席，由胡克和波義耳等組成的英國(guó)皇家學(xué)會(huì)評(píng)議委員會(huì)對(duì)牛頓提交的論文關(guān)于光和色的新理論基本上持以否定的態(tài)度牛頓開(kāi)始并沒(méi)有完全否定波動(dòng)說(shuō)，也不是微粒說(shuō)偏執(zhí)的支持者但在爭(zhēng)論展開(kāi)以后，牛頓在很多論文中對(duì)胡克的波動(dòng)說(shuō)進(jìn)行了反駁1675年12月9日，牛頓在說(shuō)明在我的幾篇論文中所談到的光的性質(zhì)的一個(gè)假說(shuō)一文中，再次反駁了胡克的波動(dòng)說(shuō)，重申了他的微粒說(shuō)由于此時(shí)的牛頓和胡克都沒(méi)有形成完整的理論，因此波動(dòng)說(shuō)和微粒說(shuō)之間的論戰(zhàn)并沒(méi)有全面展開(kāi)但科學(xué)上的爭(zhēng)論就是這樣，一旦產(chǎn)生便要尋個(gè)水落石出舊的問(wèn)題還沒(méi)有解決，新的爭(zhēng)論已在醞釀之中了（二）牛頓與惠更斯的交鋒波動(dòng)說(shuō)的支持者，荷蘭著名天文學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家惠更斯繼承并完善了胡克的觀點(diǎn)惠更斯早年在天文學(xué)、物理學(xué)和技術(shù)科學(xué)等領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)，并系統(tǒng)的對(duì)幾何光學(xué)進(jìn)行過(guò)研究1666年，惠更斯應(yīng)邀來(lái)到巴黎科學(xué)院以后，并開(kāi)始了對(duì)物理光學(xué)的研究在他擔(dān)任院士期間，惠更斯曾去英國(guó)旅行,并在劍橋會(huì)見(jiàn)了牛頓二人彼此十分欣賞，而且交流了對(duì)光的本性的看法，但此時(shí)惠更斯的觀點(diǎn)更傾向于波動(dòng)說(shuō)，因此他和牛頓之間產(chǎn)生了分歧正是這種分歧激發(fā)了惠更斯對(duì)物理光學(xué)的強(qiáng)烈熱情回到巴黎之后，惠更斯重復(fù)了牛頓的光學(xué)試驗(yàn)他仔細(xì)的研究了牛頓的光學(xué)試驗(yàn)和格里馬第實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為其中有很多現(xiàn)象都是微粒說(shuō)所無(wú)法解釋的因此，他提出了波動(dòng)學(xué)說(shuō)比較完整的理論惠更斯認(rèn)為，光是一種機(jī)械波；光波是一種靠物質(zhì)載體來(lái)傳播的縱向波，傳播它的物質(zhì)載體是“以太”；波面上的各點(diǎn)本身就是引起媒質(zhì)振動(dòng)的波源根據(jù)這一理論，惠更斯證明了光的反射定律和折射定律，也比較好的解釋了光的衍射、雙折射現(xiàn)象和著名的“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)如果說(shuō)這些理論不易理解，惠更斯又舉出了一個(gè)生活中的例子來(lái)反駁微粒說(shuō)如果光是由粒子組成的，那幺在光的傳播過(guò)程中各粒子必然互相碰撞，這樣一定會(huì)導(dǎo)致光的傳播方向的改變而事實(shí)并非如此1678年，惠更斯向巴黎科學(xué)院提交了他的光學(xué)論著光論在光論一書中，他系統(tǒng)的闡述了光的波動(dòng)理論同年，惠更斯發(fā)表了反對(duì)微粒說(shuō)的演說(shuō) 1690年，光論出版發(fā)行就在惠更斯積極的宣傳波動(dòng)學(xué)說(shuō)的同時(shí)，牛頓的微粒學(xué)說(shuō)也逐步的建立起來(lái)了牛頓修改和完善了他的光學(xué)著作光學(xué)基于各類實(shí)驗(yàn)，在光學(xué)一書中，牛頓一方面提出了兩點(diǎn)反駁惠更斯的理由：第一，光如果是一種波，它應(yīng)該同聲波一樣可以繞過(guò)障礙物、不會(huì)產(chǎn)生影子；第二，冰洲石的雙折射現(xiàn)象說(shuō)明光在不同的邊上有不同的性質(zhì)，波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋其原因另一方面，牛頓把他的物質(zhì)微粒觀推廣到了整個(gè)自然界，并與他的質(zhì)點(diǎn)力學(xué)體系融為一體，為微粒說(shuō)找到了堅(jiān)強(qiáng)的后盾為不與胡克再次發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)，胡克去世后的第二年（1704年）光學(xué)才正式公開(kāi)發(fā)行但此時(shí)的惠更斯與胡克已相繼去世，波動(dòng)說(shuō)一方無(wú)人應(yīng)戰(zhàn)而牛頓由于其對(duì)科學(xué)界所做出的巨大的貢獻(xiàn)，成為了當(dāng)時(shí)無(wú)人能及一代科學(xué)巨匠隨著牛頓聲望的提高，人們對(duì)他的理論頂禮膜拜，重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)，并堅(jiān)信與他相同的結(jié)論整個(gè)十八世紀(jì)，幾乎無(wú)人向微粒說(shuō)挑戰(zhàn)，也很少再有人對(duì)光的本性作進(jìn)一步的研究這是否意味著波動(dòng)說(shuō)永久的沉默呢？（三）波動(dòng)說(shuō)的勝利充滿危機(jī)十八世紀(jì)末，在德國(guó)自然哲學(xué)思潮的影響下，人們的思想逐漸解放英國(guó)著名物理學(xué)家托馬斯楊開(kāi)始對(duì)牛頓的光學(xué)理論產(chǎn)生了懷疑根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)事實(shí)，楊氏于1800年寫成了論文關(guān)于光和聲的實(shí)驗(yàn)和問(wèn)題在這篇論文中，楊氏把光和聲進(jìn)行類比，因?yàn)槎咴谥氐蠖加屑訌?qiáng)或減弱的現(xiàn)象，他認(rèn)為光是在以太流中傳播的彈性振動(dòng)，并指出光是以縱波形式傳播的他同時(shí)指出光的不同顏色和聲的不同頻率是相似的在經(jīng)過(guò)百年的沉默之后，波動(dòng)學(xué)說(shuō)終于重新發(fā)出了它的吶喊；光學(xué)界沉悶的空氣再度活躍起來(lái)1801年，楊氏進(jìn)行了著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)所使用的白屏上明暗相間的黑白條紋證明了光的干涉現(xiàn)象，從而證明了光是一種波同年，楊氏在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的哲學(xué)會(huì)刊上發(fā)表論文，分別對(duì)“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)和自己的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行解釋，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律1803年，楊氏寫成了論文物理光學(xué)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算他根據(jù)光的干涉定律對(duì)光的衍射現(xiàn)象作了進(jìn)一步的解釋，認(rèn)為衍射是由直射光束與反射光束干涉形成的雖然這種解釋不完全正確，但它在波動(dòng)學(xué)說(shuō)的發(fā)展史上有著重要意義 1804年，這篇論文在哲學(xué)會(huì)刊上發(fā)表1807年，楊氏把他的這些實(shí)驗(yàn)和理論綜合編入了自然哲學(xué)講義但由于他認(rèn)為光是一種縱波，所以在理論上遇到了很多麻煩他的理論受到了英國(guó)政治家布魯厄姆的尖刻的批評(píng)，被稱作是“不合邏輯的”、“荒謬的”、“毫無(wú)價(jià)值的”雖然楊氏的理論以及后來(lái)的辯駁都沒(méi)有得到足夠的重視、甚至遭人毀謗，但他的理論激起了牛頓學(xué)派對(duì)光學(xué)研究的興趣1808年，拉普拉斯用微粒說(shuō)分析了光的雙折射線現(xiàn)象，批駁了楊氏的波動(dòng)說(shuō)1809年，馬呂斯在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象在進(jìn)一步研究光的簡(jiǎn)單折射中的偏振時(shí)，他發(fā)現(xiàn)光在折射時(shí)是部分偏振的因?yàn)榛莞乖岢鲞^(guò)光是一種縱波，而縱波不可能發(fā)生這樣的偏振，這一發(fā)現(xiàn)成為了反對(duì)波動(dòng)說(shuō)的有利證據(jù)1811年，布呂斯特在研究光的偏振現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)定律光的偏振現(xiàn)象和偏振定律的發(fā)現(xiàn)，使當(dāng)時(shí)的波動(dòng)說(shuō)陷入了困境，使物理光學(xué)的研究更朝向有利于微粒說(shuō)的方向發(fā)展面對(duì)這種情況，楊氏對(duì)光學(xué)再次進(jìn)行了深入的研究，1817年，他放棄了惠更斯的光是一種縱波的說(shuō)法，提出了光是一種橫波的假說(shuō)，比較成功的解釋了光的偏振現(xiàn)象吸收了一些牛頓派的看法之后，他又建立了新的波動(dòng)說(shuō)理論楊氏把他的新看法寫信告訴了牛頓派的阿拉戈1817年，巴黎科學(xué)院懸賞征求關(guān)于光的干涉的最佳論文土木工程師菲涅耳也卷入了波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之間的紛爭(zhēng)在1815年菲涅耳就試圖復(fù)興惠更斯的波動(dòng)說(shuō)，但他與楊氏沒(méi)有聯(lián)系，當(dāng)時(shí)還不知道楊氏關(guān)于衍射的論文，他在自己的論文中提出是各種波的互相干涉使合成波具有顯著的強(qiáng)度事實(shí)上他的理論與楊氏的理論正好相反后來(lái)阿拉戈告訴了他楊氏新提出的關(guān)于光是一種橫波的理論，從此菲涅耳以楊氏理論為基礎(chǔ)開(kāi)始了他的研究1819年，菲涅耳成功的完成了對(duì)由兩個(gè)平面鏡所產(chǎn)生的相干光源進(jìn)行的光的干涉實(shí)驗(yàn)，繼楊氏干涉實(shí)驗(yàn)之后再次證明了光的波動(dòng)說(shuō)阿拉戈與菲涅耳共同研究一段時(shí)間之后，轉(zhuǎn)向了波動(dòng)說(shuō)1819年底，在非涅耳對(duì)光的傳播方向進(jìn)行定性實(shí)驗(yàn)之后，他與阿拉戈一道建立了光波的橫向傳播理論1882年，德國(guó)天文學(xué)家夫瑯和費(fèi)首次用光柵研究了光的衍射現(xiàn)象在他之后，德國(guó)另一位物理學(xué)家施維爾德根據(jù)新的光波學(xué)說(shuō)，對(duì)光通過(guò)光柵后的衍射現(xiàn)象進(jìn)行了成功的解釋至此，新的波動(dòng)學(xué)說(shuō)牢固的建立起來(lái)了微粒說(shuō)開(kāi)始轉(zhuǎn)向劣勢(shì)（四）新的理論隨著光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)的建立，人們開(kāi)始為光波尋找載體，以太說(shuō)又重新活躍起來(lái)一些著名的科學(xué)家成為了以太說(shuō)的代表人物但人們?cè)趯ふ乙蕴倪^(guò)程中遇到了許多困難，于是各種假說(shuō)紛紛提出，以太成為了十九世紀(jì)的眾焦點(diǎn)之一菲涅耳在研究以太時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題是，橫向波的介質(zhì)應(yīng)該是一種類固體，而以太如果是一種固體，它又怎幺能不干擾天體的自由運(yùn)轉(zhuǎn)呢不久以后泊松也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：如果以太是一種類固體，在光的橫向振動(dòng)中必然要有縱向振動(dòng)，這與新的光波學(xué)說(shuō)相矛盾為了解決各種問(wèn)題，1839年柯西提出了第三種以太說(shuō)，認(rèn)為以太是一種消極的可壓縮性的介質(zhì)他試圖以此解決泊松提出的困難1845年，斯托克斯以石蠟、瀝青和膠質(zhì)進(jìn)行類比，試圖說(shuō)明有些物質(zhì)既硬得可以傳播橫向振動(dòng)又可以壓縮和延展因此不會(huì)影響天體運(yùn)動(dòng)1887年，英國(guó)物理學(xué)家麥克爾遜與化學(xué)家莫雷以“以太漂流”實(shí)驗(yàn)否定了以太的存在但此后仍不乏科學(xué)家堅(jiān)持對(duì)以太的研究甚至在法拉第的光的電磁說(shuō)、麥克斯韋的光的電磁說(shuō)提出以后，還有許多科學(xué)家潛心致力于對(duì)以太的研究十九世紀(jì)中后期，在光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)的論戰(zhàn)中，波動(dòng)說(shuō)已經(jīng)取得了決定性勝利但人們?cè)跒楣獠▽ふ逸d體時(shí)所遇到的困難，卻預(yù)示了波動(dòng)說(shuō)所面臨的危機(jī)1887年，德國(guó)科學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，光的粒子性再一次被證明！二十世紀(jì)初，普朗克和愛(ài)因斯坦提出了光的量子學(xué)說(shuō)1921年，愛(ài)因斯坦因?yàn)楣獾牟６笮赃@一成就而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1921年，康普頓在試驗(yàn)中證明了X射線的粒子性1927年，杰默爾和后來(lái)的喬治湯姆森在試驗(yàn)中證明了電子束具有波的性質(zhì)同時(shí)人們也證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線具有波的性質(zhì)在新的事實(shí)與理論面前，光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之爭(zhēng)以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之爭(zhēng)從十七世紀(jì)初笛卡兒