物理學(xué)史44 光的微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)

1、4.4光的微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)什么是光？光的本性是什么？它由什么組成？每一位研究光學(xué)現(xiàn)象的物理 學(xué)家都必然會(huì)涉及這些問(wèn)題。從折射定律和色散現(xiàn)象的研究也可看出這一點(diǎn)。笛卡兒主張波動(dòng)說(shuō)，他認(rèn)為光本質(zhì)上是一種壓力，在完全彈性的、充滿一切 空間的媒質(zhì)（以太）中傳遞，傳遞的速度無(wú)限大。但他卻又用小球的運(yùn)動(dòng)來(lái)解釋 光的反射和折射。牛頓傾向于微粒說(shuō)，認(rèn)為光可能是微粒流，這些微粒從光源飛 出，在真空或均勻媒質(zhì)中作慣性運(yùn)動(dòng)，但他在研究牛頓環(huán)時(shí)，卻認(rèn)識(shí)到了光的周 期性，使他把微粒說(shuō)和以太振動(dòng)的思想結(jié)合起來(lái)，對(duì)干涉條紋作出了自己的解釋。 可見，不論是笛卡兒還是牛頓，都沒(méi)有對(duì)光的本性作出肯定的判斷。4.4.1早期的波動(dòng)說(shuō)胡

2、克明確主張光是一種振動(dòng)，并根據(jù)云母片的薄膜干涉現(xiàn)象作出判斷，認(rèn)為 光是類似水波的某種快速脈沖。在1667年出版的顯微術(shù)一書中，他寫道“在均勻媒質(zhì)中，這種運(yùn)動(dòng)在各個(gè)方向都以同一速度傳播，所以發(fā)光體的每 個(gè)脈沖或振動(dòng)都必然會(huì)形成一個(gè)球面。這個(gè)球面不斷擴(kuò)大，就如同把石塊投進(jìn)水 中在水面一點(diǎn)周圍的波或環(huán)，膨脹為越來(lái)越大的圓環(huán)一樣（盡管要快得多）。由 此可見，在均勻媒質(zhì)中激起的這些球面的所有部分都與射線以直角相交?！焙商m物理學(xué)家惠更斯發(fā)展了胡克的思想。他進(jìn)一步提出光是發(fā)光體中微小粒 子的振動(dòng)在彌漫于宇宙空間的以太中的傳播過(guò)程。光的傳播方式與聲音類似，而 不是微粒說(shuō)所設(shè)想的像子彈或箭那樣的運(yùn)動(dòng)。1678年

3、他向巴黎的法國(guó)科學(xué)院報(bào) 告了自己的論點(diǎn)（當(dāng)時(shí)惠更斯正留居巴黎），并于1690年取名光論（Traite de laLumiere）正式發(fā)表。他寫道：“假如注意到光線向各個(gè)方向以極高的速度傳播，以及光線從不同的地點(diǎn)甚 全是完全相反的地方發(fā)出時(shí)，其射線在傳播中一條穿過(guò)另一條而互相毫無(wú)影響， 就完全可以明白：當(dāng)我們看到發(fā)光的物體時(shí)，決不會(huì)是由于這個(gè)物體發(fā)出的物質(zhì) 遷移所引起，就象穿過(guò)空氣的子彈或箭那樣?！绷_邁（Olaf Roemer， 16441710）在1676年根據(jù)木星衛(wèi)蝕的推遲得到光 速有限的結(jié)論，使惠更斯大受啟發(fā)。羅邁觀測(cè)到當(dāng)?shù)厍蛐兄撂?yáng)和木星之間時(shí)， 木衛(wèi)蝕提早78分鐘，而當(dāng)?shù)厍蛐兄撂?yáng)的另

4、一側(cè)時(shí)，木衛(wèi)蝕卻推遲78分鐘。 由此推算光穿越地球軌道約需22分鐘?；莞垢鶕?jù)羅邁的數(shù)據(jù)和地球軌道直徑 計(jì)算出光速c=2X108米/秒。這個(gè)結(jié)果雖然尚欠精確，卻是第一次得到的光速值。 于是惠更斯設(shè)想傳播光的以太粒子非常之硬，有極好的彈性，光的傳播就象振動(dòng) 沿著一排互相銜接的鋼球傳遞一樣，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)球受到碰撞，碰撞運(yùn)動(dòng)就會(huì)以極快 的速度傳到最后一個(gè)球。圖4-12就是惠更斯自己畫的一幅示意圖。他認(rèn)為，以 太波的傳播不是以太粒子本身的遠(yuǎn)距離移動(dòng)，而是振動(dòng)的傳播?；莞菇又鴮懙?“我們可以設(shè)想，以太物質(zhì)具有彈性，以太粒子不論受到推斥是強(qiáng)還是弱都 有相同的快速恢復(fù)的性能，所以光總以相同的速度傳播?！眻D4-

5、13是惠更斯描繪光波的示意圖。這樣，惠更斯就明確地論證了光是波 動(dòng)（他認(rèn)為是以太縱波），并進(jìn)而以光速的有限性推斷光和聲波一樣必以球面波 傳播。接著，惠更斯運(yùn)用子波和波陣面的概念，引進(jìn)了一個(gè)重要原理，這就是著 名的惠更斯原理。他寫道“關(guān)于波的輻射，還要作進(jìn)一步考慮，即傳遞波的每一個(gè)物質(zhì)粒子，僅將運(yùn) 動(dòng)傳給從發(fā)光點(diǎn)開始所畫直線上的下一個(gè)粒子，而且還要傳給與之接觸的并與其 運(yùn)動(dòng)相對(duì)抗的其他一切粒子。結(jié)果是，在每個(gè)粒子的周圍，興起了以該粒子為中 心的波。所以，（如圖414），設(shè)DCF是從發(fā)光點(diǎn)A發(fā)出的并以該點(diǎn)為中心的 波，則在球面DCF內(nèi)的一個(gè)粒子B，將產(chǎn)生自己獨(dú)有的波（按：即子波）KCL， 與這個(gè)波

6、在C點(diǎn)觸及波DCF的同時(shí)，從A點(diǎn)發(fā)出的主波也到達(dá)DCF。顯然，波KCL 與波DCF的唯一接觸點(diǎn)是在AB直線上，即C點(diǎn)。球面DCF內(nèi)的其他點(diǎn)bb、dd 等等也將類似地產(chǎn)生各自的波。每個(gè)這樣的波與波DCF相比雖然都無(wú)限微弱，但 所有這些波距A點(diǎn)最遠(yuǎn)的那部分表面卻組成了波DCF （按：即波陣面）?！苯又莞褂盟脑碚f(shuō)明了光的反射和折射。從他的理論可以推出與笛 卡兒不同的折射公式：1669年丹麥的巴塞林納斯（Erasmus Bartholinus，16251698）發(fā)現(xiàn)了雙 折射現(xiàn)象。當(dāng)他用方解石（也叫冰洲石）觀察物體時(shí)，注意到有雙像顯示。經(jīng)過(guò) 反復(fù)試驗(yàn)，他確定是這種晶體對(duì)光有兩種折射：尋常折射

7、和非尋常折射。這是繼干涉、衍射之后發(fā)現(xiàn)的又一光學(xué)新現(xiàn)象。對(duì)于這種新現(xiàn)象，是否能作 出合理的解釋，自然是微粒理論和波動(dòng)理論面臨的考驗(yàn)。惠更斯在得知巴塞林納 斯的發(fā)現(xiàn)后，立即重復(fù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他證實(shí)了這一現(xiàn)象，并且觀察到在其他晶體， 例如石英，也有類似效應(yīng)，只是效果差些。進(jìn)一步他還確定尋常折射仍然遵守折 射定律，非尋常折射則不遵守折射定律。至于雙折射現(xiàn)象的解釋，惠更斯很巧妙 地提出了橢球波的設(shè)想，認(rèn)為方解石等晶體的顆?？赡芫哂刑厥庑螤?，以全光波 通過(guò)時(shí)，在某一方向比在另一方向傳播得更快一些，于是就出現(xiàn)了不同的折射?；莞拱l(fā)展了波動(dòng)理論。但是由于他把光看成象聲波一類的縱波，因此不能 解釋偏振現(xiàn)象。他的

8、波動(dòng)理論也不能解釋干涉和衍射現(xiàn)象，因?yàn)槟菚r(shí)還沒(méi)有建立 周期性和位相等概念。早期的波動(dòng)理論缺乏數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，還很不完善，而牛頓力學(xué)正節(jié)節(jié)勝利。以符 合力學(xué)規(guī)律的粒子行為來(lái)描述光學(xué)現(xiàn)象，被認(rèn)為是唯一合理的理論，因此，直到 18世紀(jì)末，占統(tǒng)治地位的依然是微粒學(xué)說(shuō)。4.4.2托馬斯楊的研究托馬斯楊（Thomas Young， 17731829）是英國(guó)人，從小聰慧過(guò)人，博覽 群書，多才多藝，17歲時(shí)就已精讀過(guò)牛頓的力學(xué)和光學(xué)著作。他是醫(yī)生，但對(duì) 物理學(xué)也有很深造詣，在學(xué)醫(yī)時(shí)，研究過(guò)眼睛的構(gòu)造和其光學(xué)特性。就是在涉及 眼睛接受不同顏色的光這一類問(wèn)題時(shí)，對(duì)光的波動(dòng)性有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致他對(duì) 牛頓做過(guò)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)和

9、有關(guān)學(xué)說(shuō)進(jìn)行深入的思考和審查。1801年，托馬斯.楊 發(fā)展了惠更斯的波動(dòng)理論，成功地解釋了干涉現(xiàn)象。圖4-15是他在論文中用于 說(shuō)明干涉現(xiàn)象的插圖。他是這樣闡述他的干涉原理的：“當(dāng)同一束光的兩部分從不同的路徑，精確地或者非常接近地沿同一方向進(jìn) 入人眼，則在光線的路程差是某一長(zhǎng)度的整數(shù)倍處，光將最強(qiáng)，而在干涉區(qū)之間 的中間帶則最弱，這一長(zhǎng)度對(duì)于不同顏色的光是不同的?！蓖旭R斯楊明確指出，要使兩部分光的作用疊加，必須是發(fā)自同一光源。這 是他用實(shí)驗(yàn)成功地演示干涉現(xiàn)象的關(guān)鍵。許多人想嘗試這類實(shí)驗(yàn)往往都因用的是 兩個(gè)不同的光源而失敗。在1807年托馬斯楊的論文中描述了他的雙縫實(shí)驗(yàn)，他寫道：“使一束單色光照

10、射一塊屏，屏上面開有兩個(gè)小洞或狹縫，可認(rèn)為這兩個(gè)洞 或縫就是光的發(fā)散中心，光通過(guò)它們向各個(gè)方向繞射。在這種情況下，當(dāng)新形成 的兩束光射到一個(gè)放置在它們前進(jìn)方向上的屏上時(shí)，就會(huì)形成寬度近于相等的若 十條暗帶。圖形的中心則總是亮的。”“比較各次實(shí)驗(yàn)，看來(lái)空氣中極紅端的波的寬度約為三萬(wàn)六千分之一英寸， 而極紫端則為六萬(wàn)分之一英寸?！彼^“波的寬度”，就是波長(zhǎng)，這些結(jié)果與近代的精確值近似相等。雙縫干涉實(shí)驗(yàn)為托馬斯楊的波動(dòng)學(xué)說(shuō)提供了很好的證據(jù)，這對(duì)長(zhǎng)期與牛頓 的名字連在一起的微粒說(shuō)是嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。托馬斯楊說(shuō)得好：“盡管我仰慕牛 頓的大名，但我并不因此非得認(rèn)為他是百無(wú)一失的。我遺憾地看到他也會(huì)弄 錯(cuò)，而他的

11、權(quán)威也許有時(shí)甚至阻礙了科學(xué)的進(jìn)步。”果然，托馬斯楊由于提出干涉原理而受到當(dāng)時(shí)一些權(quán)威學(xué)者的圍攻，其中 有一位以牛頓學(xué)術(shù)權(quán)威自居的布勞安(HenryBrougham)攻擊得最為刻薄，說(shuō)托 馬斯楊的文章“沒(méi)有任何價(jià)值”，“稱不上是實(shí)驗(yàn)”，干涉原理是“荒唐”和“不合邏輯”的，等等。一二十年間，竟沒(méi)有人理解托馬斯楊的工作。據(jù)說(shuō)， 托馬斯楊為回駁布勞安專門撰寫的論文竟無(wú)處發(fā)表，只好印成小冊(cè)子，小冊(cè)子 出版后，“只賣出了一本”。1809年，法國(guó)的馬呂斯(Etienne Louis Malus，17751812)發(fā)現(xiàn)偏振現(xiàn) 象，并認(rèn)為找到了決定性的證據(jù)，證明光的波動(dòng)理論與事實(shí)矛盾。然而，托馬斯楊 面對(duì)困難并

12、沒(méi)有動(dòng)搖自己的科學(xué)信念，他寫信給馬呂斯說(shuō)：“您的實(shí)驗(yàn)證明了 我采用的理論(即干涉理論)有不足之處，但是這些實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有證明它是虛偽 的。”經(jīng)過(guò)幾年的研究，托馬斯楊逐漸領(lǐng)悟到要用橫波的概念來(lái)代替縱波，而 這正是菲涅耳(Augustin Jean Fresnel， 1788一1827 )繼續(xù)發(fā)展波動(dòng)理論的出 發(fā)點(diǎn)。4.4.3菲涅耳的貢獻(xiàn)菲涅耳是法國(guó)的一位工程師，對(duì)光學(xué)很感興趣，曾發(fā)明一種用于燈塔的螺紋 透鏡，人稱菲涅耳透鏡。他精通數(shù)學(xué)，因此有條件在光學(xué)的數(shù)學(xué)理論方面作出特 殊的貢獻(xiàn)。1817年1月12日，托馬斯楊寫信給阿拉果，告訴他已找到了用波 動(dòng)理論解釋偏振的線索，說(shuō)：“用這個(gè)理論也可以解釋沿半徑

13、方向以相等速度 傳播的橫向振動(dòng)，其粒子的運(yùn)動(dòng)是在相對(duì)于半徑的某個(gè)恒定的方向。這就是偏 振。” 1818年4月29日，托馬斯楊再次寫信給阿拉果，又提到偏振問(wèn)題，他 把光比之于繩索的振動(dòng)。阿拉果把這封信給菲涅耳看，菲涅耳立即看出這一比喻 為互相垂直的兩束偏振光之所以不能相干提供了真正的解釋，而這一不相干性正 可作為楊氏假說(shuō)的極好佐證。阿拉果和菲涅耳合作研究光學(xué)多年，互相垂直的兩束偏振光的相十性是他們 共同研究的課題，就這個(gè)課題已進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，得到了重要成果。1819年， 他們聯(lián)名發(fā)表了關(guān)于偏振光線的相互作用。但是當(dāng)菲涅耳指出，只有橫向 振動(dòng)才有可能把這個(gè)事實(shí)納入波動(dòng)理論時(shí)，阿拉果表示自己沒(méi)有勇氣

14、發(fā)表這類觀 點(diǎn)，于是論文的第二部分乃以菲涅耳一人的名義發(fā)表。阿拉果在光學(xué)方面作出了 許多貢獻(xiàn)，但在關(guān)鍵問(wèn)題上卻令人遺憾地采取了暖昧態(tài)度。菲涅耳的光學(xué)研究和法國(guó)科學(xué)院1818年的懸獎(jiǎng)?wù)魑幕顒?dòng)有一些聯(lián)系。這次 競(jìng)賽的題目是：“利用精密的實(shí)驗(yàn)確定光線的衍射效應(yīng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)用數(shù)學(xué)歸納法推導(dǎo)出光線通過(guò)物體附近時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況?！备?jìng)賽的評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)的本意是希望通過(guò)這次征文，鼓勵(lì)用微粒理論解釋衍射現(xiàn) 象，以期取得微粒理論的決定性勝利。主持這項(xiàng)活動(dòng)的著名科學(xué)家，例如：比奧 (J.B.Biot)、拉普拉斯和泊松(S.D.Poission)都是微粒說(shuō)的積極擁護(hù)者。然而，出乎意料地是，不知名的學(xué)者菲涅耳（當(dāng)時(shí)只有30歲）以

15、嚴(yán)密的數(shù) 學(xué)推理，從橫波觀點(diǎn)出發(fā)，圓滿地解釋了光的偏振，并用半波帶法定量地計(jì)算了 圓孔、圓板等形狀的障礙物所產(chǎn)生的衍射花紋，推出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合得很好， 使評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)大為驚訝。比奧嘆服菲涅耳的才能，寫道：“菲涅耳從這個(gè)觀點(diǎn) 出發(fā)，嚴(yán)格地把所有衍射現(xiàn)象歸于統(tǒng)一的觀點(diǎn)，并用公式予以概括，從而永恒地 確定了它們之間的相互關(guān)系?！痹u(píng)獎(jiǎng)委員泊松在審查菲涅耳的理論時(shí)，運(yùn)用菲涅 耳的方程推導(dǎo)圓盤衍射，得到了一個(gè)令人稀奇的結(jié)果：在盤后方一定距離的屏幕 上影子的中心應(yīng)出現(xiàn)亮點(diǎn)，如圖4-16。泊松認(rèn)為這是荒謬的，在影子的中心怎 么可能出現(xiàn)亮點(diǎn)呢？于是就聲稱這個(gè)理論已被駁倒。在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，阿拉果向 菲涅耳伸出了友

16、誼之手，他用實(shí)驗(yàn)對(duì)泊松提出的問(wèn)題進(jìn)行了檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)非常精彩 地證實(shí)了菲涅耳理論的結(jié)論，影子中心果然出現(xiàn)了一個(gè)亮點(diǎn)。這一事實(shí)轟動(dòng)了巴 黎的法國(guó)科學(xué)院。菲涅耳于是就榮獲了這一屆的科學(xué)獎(jiǎng)，而后人卻戲劇性地稱這個(gè)亮點(diǎn)為泊松 亮點(diǎn)。菲涅耳開創(chuàng)了光學(xué)研究的新階段。他發(fā)展了惠更斯和托馬斯楊的波動(dòng)理論， 成為“物理光學(xué)的締造者”。轉(zhuǎn)弓1自：E.Whittaker， Ahistory of the Theories of Aetherand Electricity， Vol.1， Nelson， 1951， pp14-15.轉(zhuǎn)弓1自：n . C .KSpBgeB，ScTopu 只 u3uku，T .1，yqnegru3，1956, pp.220221. 原載 C.Huygens，Treatise，pp.19一20，此處轉(zhuǎn)引自：A.E.Shapiro，Arch.Hist.Exa.Sci.，11 (1973) p.222. 轉(zhuǎn)弓1自：Concise Dictionary of Scientific Biography，Charles ScribnersSons，1981， p.744.轉(zhuǎn)引自：W.F.Magie