光的本性认识的发展

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1、 光的本性认识的发展 光的本住问题是贯穿在光学发展中的一个根本问题。正是这种对光的本性的探讨有力地推动了光学以及整个物理学的发展。人们对光的本性的认识，从光是“物质的微粒流”，经历了光是“以太的振动”，光是电磁波到光是波粒二象性的统一等各个认识阶一段。这一认识历程从牛顿和惠更斯之争算起到现在其间经历了三百多年。人们遵循实验假设理论实验这条途径，逐步达到了对光的本性的认识，这一认识揭示了物质世界光和电磁的统一，光的波动性和微粒性的统一。德国物理学家劳厄在谈到这一认识的重大意义时指出：“在这以前还是完全互不相依的光的理论和电动力学理论的这种自然的结合发展是作为物理知识的真理一性证明的一个最伟大的事

2、件”。他在物理学史的导言中着重指出了研究两类不同的物理思想“它们不期而遇并且自然地相结合”的意义。他说：“凡是经历了这种令人极为惊奇的事件的人，即使是在很远的距离经历的，或者至少能在事后加以回顾的，都不会怀疑：这些相互结合的理论，即使不包含完全的真理，终究也包含了与人类的附加因素无关的客观真理的一种重要的内核。否则，它们的结合只能理解为奇迹。物理学史的理想必须是把这样的事件尽可能明晰地刻画出来”。下面我们就来叙述人类对光的本性认识的发展过程。（一）微粒说与波动说的思想渊源 关于对光的本性这一古老之谜的认识要追索到古希腊时代。古希腊杰出的原子论者德漠克利特（Democritus，公元前460前3

3、70）最早提出光是物质微粒的观点。他认为视觉是由物体射出的微粒进入眼睛而引起的。古希腊的男一个原子论者伊壁鸠鲁（Epicurus，公元前341前270）和古罗马的原子论者卢克来修（Lucretius，公元前99一前55）坚持这一学说。卢克来修说：“从任何我们看见的东西，必定永远有许多原初物体流出来，被发放出来；被散布到四周各处，这些物体撞击眼睛，引起了视觉。”量子论者的这一观点是后来把光看作某种物质实体的粒子说的萌芽。古希腊杰出的思想家亚里士多德（Aristotle，公元前384一前322）认为，视觉是在眼睛和可见物体之间的中间介质运动的结果。他认为这种中间介质有让光通过的可能性（潜在能力），

4、即是透明的，光则把这种可能性变为现实。所以，没有中间介质就没有视觉。在这个理论中包含着后来的光的波动说的思想。 科学发展到了17世纪，法国哲学家、物理学家、数学家笛卡儿（Rene Descartes，15961650）提出了对光的本性的看法。英籍德国物理学家玻恩（Max Born，18821970）和美国物理学家沃耳夫（EmilWolf，1922一）在他们的光学原理的历史引言中说：“在新哲学的创立者当中，笛卡儿可以提出来说一说，因为他根据他的形而上学观念系统地陈述了关于光的本性的见解。笛卡儿认为，光在本质上是一种压力，在一种完全弹性的，充满一切空间的介质（以太）之中传递，他并且把颜色的差异归因

5、于这个介质中粒子的不同速度的旋转运动。”笛卡儿对光的本性没有明确而统一的观点。他在他的著作光的折射中提出了一个比喻：光通过介质传入人眼，就象机械脉冲沿着手杖传入盲人的手和脑中一样，并没有某种物质性的东西传入眼睛使我们看到光和色。笛卡尔在这里强调了介质的影响和接触作用，认为光是以太介质中某种压力的传播过程，所以可以把他算作波动论者。 另一方面，笛卡儿又从光的微粒观念中推导出反射定律与折射定律。笛卡儿在光的折射中写道：“假设我们将球从A点击到B点，碰到地面CSE时，球因受阻而偏离原来的运动方向（图91）。它将往哪个方向偏？为了简化所研究的问题，我们假定：地面是平滑坚硬的，并且球在下落和弹跳时速度保

6、持不变。我们不考虑球在离开球拍以后能够继续运动的原因，也不考虑球的重量、大小以及形状对运动方向会有什么影响。因为我们的目的并不是研究这些问题，而是研究光；并且上述因素对光都没有影响。” 接着笛卡儿开始了对平滑表面上光的反射的研究。他把球的速度分解为垂直分量及水平分量。当球碰到地面时，只是球速的垂直分量方向相反，大小不变。水平分量是不变的，由此很容易证明光的入射角等于它的反射角。 笛卡儿继续写道：“现在让我们来观察折射现象。首先假定球从A点被抛至B点，在B点碰到的不是地面，而是一块布CBE，它非常稀疏和不结实，将减慢球的速度。” 他仍然把速度分成垂直分盟及水平分量，垂直方向速度减小而水平分量不变

7、图92。由此得即 对各向同性介质，、与光的传播方向无关。上式右端是一个与入射角无关的常数，它表明入射角的正弦与折射角的正弦之比是一个常数；这样便解释了折射定律。 但是实验表明当光从光疏介质（例如空气）进入光密介质例如水时，光折向界面法线即i1i2，按照上述公式则12，从微粒论的观点看来，光在光密介质中的光速应当大于光在光疏介质中的光速。后来，实验证明这一结论是错误的，但这是在被卡儿以后200年的事了。当时他为自己的观点解释说：“你也许会感到惊奇但如果你还记得我所描述过的光的特性，你就不会为此而感到惊奇了。我曾说过，光只能设想为一种能填塞所一有其它微孔的很稀薄的物质的某些运动或作用。所以，事情是

8、这样的，透明体的细小部分越是坚硬，光的通过越是容易，因为光并不要使透明体的任何部分离开它们的位置，它不象球那样一必须排开部分水才能从中通过。”（二）波动说与微粒说之争 英国物理学家、天文学家胡克在他1665年发表的放大镜下微小物体的显微术或某些生理学的描述（以下简称显微术一书中，明确主张光是一种振动。同时他还以金刚石的坚硬特性，提出这种振动必定是短促的。在讨论了光的直线传播和光速是有限的之后，他写道：“在一种均匀介质中这一运动在各个方向都以相等的速度传播。所以发光体的每一个脉动或振动都必将形成一个球面。这个球面将不断地增大，就如同把一石块投入水中后在水面一点周围的环状波膨胀为越来越大的圆圈一样

9、（尽管肯定要快得多）。由此可知，在均匀介质中扰动起来的这些球面的一切部分与射线交成直角。”可见，胡克实际上已接触到波前或波面的概念。 胡克还研究了薄膜的彩色。他在显微术中记载了这样的现象：厚云母片是无色的，但将它揭成薄片时却呈现出了象虹一样美丽的颜色；他还发现，在反射面上盖上一层具有不同折射作用的透明薄膜时，也会产生彩色现象。他对薄膜的这一光学现象提出了解释，他认为这是由于直接从前表面反射的光和经过折射从后表面反射的光相互作用而形成的。胡克提出：“一束最弱的成分领先而最强的成分随后的光脉冲的混合，在网膜上引起蓝色的印象，一束最强的成分领失而最弱的成分随后的光脉冲的混合。则引起红色的印象。其他的

10、颜色印象都可以由两种成分的先后排列情况作出解释。”胡克的这种解释是不正确的。他认识到了这一现象与两薄膜的厚度有关，但是他还没有建立相位差的概念，对千涉现象不能作出正确的解释。 经典物理学的奠基者牛顿基本上是主张微粒说。他根据光的直线传播性质，提出光是微粒流的理论。他认为这些微粒从光源飞出来，在真空式均匀物质内由于惯性而作匀速直线运动。早在1672年2月6日牛顿送交英国皇家学会的一封信“关于光和色的新理论”中，就提出了光的微粒说，认为光线可能是由球形的物体所组成，并用这种观念解释了光的直线传播和光的反射折射定律。 胡克和牛顿争论时，提出不少问题；特别是微粒说所不能解释的一些事情。为了回答胡克提出

11、的问题，牛顿又进一步研究，想办法如何来完善自己的假说和理论。他认为他的光的粒子结构理论是正确的，但他也没有绝对肯定这个结论，而只能用“可能”两个字来表示。1675年12月9日，牛顿在送交皇家学会的一篇论文涉及光和色的理论的假说中，提出了一个把光的微粒和以太的振动相结合的新假说。他写道：“以太的振动在这一假说和那一假说中都是一样有用的和不可缺的。因为假定光线是从发光物质向各方面发射出去的小的微粒的话，那末当它们碰到任何一种拆射或反射表面时，就必然要在以太中引起振动，正象石块被投到水中要引起振动一样。我还假定，这些振动将按照激发它们的上述颗粒性光线的大小和速度不同而有不同的深度和厚度。” 除此之外

12、，牛顿在1675年12月21日写给奥尔登堡（Henry Dldenburg，当时皇家学会的秘书）的信中谈到他和胡克看法不同之处。牛顿认为，“除了假定以太是一种能振动的介质以外，我和他没有什么共同之点。然而我对这个假定有和他很不相同的看法：他认为能振动的以太就是光本身，而我则认为它不是；这是一个很大的差别，正如他和笛卡儿的差别很大一样。” 当牛顿在皇家学会宣读新的论文、阐述新的假说时，胡克却提出了关于优先权的要求。于是牛顿在愤慨之下，决定不发表光学著作。而牛顿多年来的光学研究成果，在1704年（胡克死后的一年）才发表在他的光学著作中。这一事情看来是影响了光学的发展。 牛顿在光学中指出光的波动性不

13、能很好地说明光的直线传播这个最基本的事实。他在光学的问题二十八中写道：“在有些假设中，把光描述成在某种液体介质中传播的一种压力或运动，这些假设难道会是正确的如果光是瞬时传播或在时间中传播的压力或运动，它就应当朝影子内部弯曲。因为，在障碍物附近（它挡住了一部分运动），压力或运动不可能在液体中沿直线传播它们将发生弯曲，并在位于障碍物后面的静态介质中到处传播。” 牛顿接着又写道：“静水水面上的波沿较大的障碍物（它挡住了一部分波）边缘传播时，它会发生弯曲，并不断地向障碍物后面的静水水域扩展。空气波，空气的脉动或振动（它们构成声音）显然也会发生弯曲，但不会象水波那样强烈。小山虽然可以挡住我们的视线，使我

14、们看不到钟或大炮，但在山后仍然可以听到它们的声音；声音很容易沿着弯弯曲曲的管道传播，如同在笔直的管子中传播一样。至于光，从来还没有听说过它可以沿着碗蜒曲折的通道传播，或者朝阴影内弯曲，因为当一颗行星运行到地球与另一颗不动的恒星之间时，这颗恒星就看不见了。” 在光学的问题二十九中牛顿明确地表述了光是微粒的观点。他指出：“光线是不是发光物质发射出来的很小的物体，因为这样一些物体能直线穿过均匀介质而不会弯到影子区域里去，这正是光线的本质。” “牛顿环”现象是牛顿的一项重要发现，从这一发现中他提出并确立了光的周期性。他在光学中详细地描述了这一实验现象。当他把一个平凸透镜放在一个双凸透镜上时，他观察到一

15、系列明暗相间的同心圆环。压紧玻璃体，改变其间空气漠的厚度，又发现了条纹的移动。他还精确地测量了环的半径，发现环的半径的平方构成一个算术级数。这里最重要的是对光的周期性的发现。牛顿这样写着；“有时我一连数了三十多次周期性变化的序列，在每一个序列中都包括一明一暗的环，但是由于它们太窄无法数清楚。”牛顿的精确观察，本来是光的波动性的证明。他的测量也为确定各种色光的波长提供了根据，但是他并未由此走向波动说。 牛顿用他的光的微粒和以大振动相结合的新观点，解释了他。发现的牛顿环现象。他设想光微粒在介质的界面上可以引起以太的各种大小的振动，即以太的压缩和扩散，并且按照其大小而激发起不同颜色的感觉，正象空气的

16、振动按其大小而激起不同的声音感觉一样。他设想光微粒在介质界面处所激起的以太振动会在介质中传播开，而且是快于光速的，因而可以追上光线。由于这种追得上光线的以太振动的作用，使光微粒时而被加速时而被减克从而使它一阵容易透射，一阵容易被反射。他在光学第二编第三部分中写道。“每一条光线在通过任何折射面时，便处于某种为时短暂的过渡性结构和状态之中。在光线的前进过程中，这种状态每隔相等的间隔（等时或等距）内复发一次，并使光线在它每一次复发时容易透过下一个折射面，而在它相继两次复发之间容易被这个面所反射。”这里所谓“等间隔”的复发，其实就是指光线的某种周期性。他还定义说：“我将把任何一条光线返回到偏向于反射的

17、状态，称为它容易反射的摔发，而把它返回到倾向于透射的状态称为它容易透射的练发，并且把每一次返回和下一次返回之间称为它淬发的间隔。 他还把这种“淬发的间隔”同光的颜色联系起来，认为红色光的间隔最大，紫色光的间隔最小。可以看出，牛顿所说的这种淬发间隔的距离，在某些方面和后来波动说中所说的“波长”是很相似的。 坚持光的波动说，并想建立理沦来解释它的是荷兰物理学家惠更斯（Chsistisll Huygells， 16291695）。惠更斯于1678年向法国科学院提交了光论这本著作，该书于1690年出版。惠更斯以下列论据来驳斥牛顿的微粒说，他写道：“假如注意到光线向各个方向以极高的速度传播，以及光线从不

18、同的地点甚至是完全相反的地方发出时，光射线在传播中，一条光线穿过另一条光线而相互毫不影响，就能完全明白这一点：当我们看到发光的物体时，决不可能是由于从它所发出的物质，象穿过空气的子弹和箭一样，通过物质迁移引起的。” 惠更斯在批评微粒说时，提出了他的波动说。他认为光是由发光体的微小粒子的振动在充满于宇宙空间的介质“以太”中的一种传播过程，光的传播方式象声音的传播方式一样。他写道：“我们知道，声音是借助看不见摸不着的空气向声源周围的整个空间传播的，这是一个空气粒子向下一个空气粒子逐步推进的一种运动。而因为这一运动的传播在各个方向是以相同速度进行”的，所以必定形成球面波，它们向外越传越远，最后到达我

19、们的耳朵。现在，光无疑也是从发光体通过某种传给媒介物的运动而E到达我们的，因为我们巳经看到从发光体到达我们的光不可能是靠物体来传递的。正如我们即将研究的，如果光在其路径上传播需要时间，那么传给物质的这种运动就一定是逐渐的，象声音一样，它也一定是以球面或波的形式传播的；我们把它们称为波，是因为它们类似于我们把石头扔入水中时所看到的水波，我们能看到水波好象在一圈圈逐渐向外传播出去，虽然水波的形成是由于其它原因，并且只在平面上形成。” 惠更斯认为光波是一纵波，这一波以非常大但又是有限的速度在以太中传播。这种以太由不均匀的、微小的、弹性的、压缩得非常紧密的颗粒组成。因此光不是一种实际上的物质的迁移，而

20、更类似于是一种“运动的趋势”，类似于通过一列球的碰撞而产生的系统的位移。因为以太颗粒不是成排而是无规则地分布的，一个被撞击的颗粒将把这种“运动的趋势”传递给它运动方向上所有它所触及的颗粒。惠更斯由此断言，新的波前在被光所触及的每一个颗粒周围产生；并以半球形式散布开来。他认为产生于单一的点的单一波前是无限微弱的，不产生光，但无限多的这种波前重叠的地方就产生了光。这就是惠更斯原理。 惠更斯原理的最有意义之处是用来确定波的传播方向。传播中波前上的每一点，都可以看成是一个新的波或子波的波源，新的波前位置就是这些小子波的包络线，这些子波是从原先波前上所有的点发出的。惠更斯应用这条原理成功地解释了反射和折

21、射现象，并得出稠密介质中光的速度小于稀疏介质中光的速度的正确结论。 惠更斯在光论中强调他“解释了冰洲石奇异折射的原因”。1669年丹麦哲学家巴托林纳斯发现有一种称为冰洲石的透明矿物晶体具有一种特殊的性质。当光线沿一定方向穿过它时，它能把光线分裂为独立的两束光。如果绕着人射光的方向转动这块晶体，它发出的两束光，有一种称为正规的折射将保持不变，另一种称为不正规的折射，要随着晶体的转动而转动。他还发现当通过冰洲石看物时所有物象都成双地出现。他提出用“半回转椭圆波”来解释非正规折射。当光线垂直入射到冰洲石的晶体表面上时，就形成两列于波，一是球面波，另一列是椭球面波。球面子波构成的是一个沿原来的入射方向

22、继续前进的波前，而椭球面子波产生的渡前要不断地偏向一旁，因而形成了非常光。惠更斯所作的这个解释虽然是完全正确的，但他无法解释为什么光波在晶体中有两种不同的传播方式，正如他自己说的“我还未能找出产生这现象的理由”。这是因为惠更斯以为光波中振动也象声音的情况那样是沿着其传播方向发生的（纵向振动），在这种情况下，如采绕着入射光束的方向转动晶体就根本不应当有什么不同了另一方面，牛顿并不相信惠更斯的波和子流他企图用如下的假设来解释这个称为双折射的现象：构成正规折射和非正规折射光的粒子在垂直于光线的方向上有着不同的指向。在光学一书的第二版中，牛顿把这两束光线之间的区别比做两根长棒之间的区别，其中一根棒的截

23、面是圆形的，另一根是矩形的，如果绕其轴线转动第一根棒，就看不出会有什么差别，第二根棒的情况就肯定不一样了。牛顿写道：“所以每条光线都有一对侧面，原来就具有与非常折射有关的性质，而另一对侧面则不具有这种性质。”牛顿显然认识到光线一定具有某些横向的（即垂直于传播方向的）性质，但他未能具体看出这可能是些什么性质。 17世纪，光的波动理论处于萌芽阶段。笛卡儿认为光是一种压力，胡克却说光是介质中的迅速颤动（脉冲），这个波动说经过惠更斯的加工，得到了进一步的发挥，但仍然是很粗略的。他没有指出光现象的周期性，没有提到波长的概念，更没有确立相位的概念。他认为光波是纵波，不能解释偏振效应。虽然当时已发现了干涉现

24、象、衍射现象，但是波动论在对这些现象的解释上软弱无力。由于牛顿的权威，使得微粒说在光学中占统治地位达一个世纪之久。（三）波动说的胜利 19世纪初叶，一系列决定性的发现导致人们普遍接受波动理论。托马斯杨和菲涅耳等人的实验和理论工作把光的波动理论大大向前推进，解释了光的干涉、衍射现象，初步测定了光的波长，并根据光的偏振现象确定光是横波。到19世纪中叶，光的波动说战胜了微粒说，波动理论在比较坚实的基础上建立起来。 1托马斯杨的干涉理论和双缝实验 英国物理学家托马斯杨（Thomss Yotillg，17731829）迈出了这胜利进军的第一步。1800年他向皇家学会提出了在声和光方面的实验和问题的报告。

25、他认为声和光都是波的传播。光是在充满整个空间的以大流体中传播的弹性振动，由于以太极稀薄，所以光是以纵波形式传播的，光的颜色和不同频率的声音是类似的。在声波叠加的情况下，会产生声音的加强和减弱，复合的声调和拍频。“干涉”这个术语就是他最先提出的。 在180i年发表的一篇报告中，托马斯杨提出了光波的频率和波长的概念，提出干涉原理并解释了“牛顿环”现象。他写道：“同一束光的两个不同部分，以不同的以S径约末完全一样地，要来在方向上十分接近地进入眼睛，在光线路所差是某个长度的整数倍的地方，光就增强，而在干涉区域的中间部分，光将最强。对于不同颜色的光束来说，这个长度是不同的。” 他指出牛顿环的明暗条纹，就

26、是由不同界面反射出的光互相重合而产生“干涉”的结果。相位相反的振动叠加起来就互相抵消，相位相同的则互相加强。他用实验的方法确证了他所提出的这一假设。他用紫外光投射到薄层上，使紫外光从上下两个界面反射产生干涉。由于紫外光是人眼所看不见的，他就让反射光落在涂有氧化银溶液的纸上，结果出现了黑环，从而证明了他的干涉原理。他精秘地确定了各种色光的波长值。他指出：“根据各种实验的比较，组成极端红光的波的宽度，在空气中，应假定约为三万六千分之一英寸，极端紫光的约为六万分之一英寸。” 在 1803年11月 24日写的关于物理光学的实验和计算的论文中，托马斯杨把干涉原理应用于解释衍射现象，并用一个非常简单、非常

27、直观的实验证明这种衍射条纹是直接通过衍射缝的光和边界波的干涉产生的。杨氏在护窗板上钻一个小孔，用一张钻有针孔的厚纸片把它盖住，在通过孔后的阳光途中放一宽约。1/30英寸的硬纸条，然后观察硬纸条投射到墙上或屏上的影子。他写道：“除了在影子两侧出现了彩色的带外，我还看到影子本身也被分割成若干个这样的带，带的数目与硬纸到影子的距离有关，而且，影子的中央部分总是白色的。由于光线从硬纸条的两个侧边通过时它会发生曲折或者向影子内部衍射，所以光的这些不同部一分互相共同作用的结果就产生了这些彩色带。我只要把一块不大的纸板放在硬纸条前面，使它只挡住硬纸条一侧的光线（纸板阴影的边缘正好落在硬纸条上），或者将纸板放

28、在硬纸条后面数英寸处，使它只挡住硬纸条投向墙上的阴影的一部分，此时，原先观察到的硬纸投射到墙上的影子中的全部彩带立刻就消失了，虽然这时候从硬纸条的另一侧边衍射出的光并没有被挡住。”托马斯杨在1807年出版的自然哲学讲义中，进一步阐述了干涉原理，描述了著名的衍射试验。他首先指出干涉现象是波动的普遍特征。他写道：“如果认为任何一定颜色的光都是由一定宽度即一定频率的振动所组成，那么，该波一定是会产生我们在水波和声脉冲中所考察过的那种效应。我们已经指出，由两邻近中心发出的两个相同的波系，可以在某些点上相互抵消其效应，而在其他一些点上倍增其效应。两音叉的拍频也可以从同样的干涉一获得解释。对干光的加强与削

29、弱，我们现在应用同一的原理。” 接着，他提出了光的干涉现象产生的条件以及获得相干光的方法。他说：“要使光的两部分效应可以这样地叠加，它们必定要一来自同一光源，而且必须从彼此偏离不大的方向经过不同的途径一到达同一点。”为了获得两束相干光必须使用同一个光源，然后再用衍射、反射、折射等方法，或者同时使用这几种方法把光束劈开。他指出“最简单的方法是使均匀的光束射到有两个小孔或两个狭缝的屏上，这些小孔或狭缝可以看作是散射中心，光由此向一切方向衍射。”接着杨氏谈到干涉条纹的形状，并指出产生亮纹、暗纹的条件。他写道：“在这种情况下，当两个重新形成的光束投射到安置在它们行程上的屏面上时，光束好象被许多黑线条分

30、割成大体上相等的亮带，在图象中心总是出现亮带，而其他的亮带则分布在图象中央的两侧。亮带之间的间距是：光分别从两个狭缝到达各亮带的光程差正好等于半波长的偶数倍，光分别从两个狭缝到达各条暗带的光程差正好等于半波长的奇数倍。” 杨氏完满地解释了光的干涉现象，提出了干涉原理，并且测定了光的波长，对光的波动理论作出了重要的贡献。但是，他的见解大部分是定性的，而且由于他认为光是纵波，这给他的理论一带来了很大的弱点，没有立即得到科学界的普遍承认。这个自牛顿以来在物理光学上最重要的成果就这样被埋没了将近20年。直到菲涅耳提出他的波动理论后，托马斯杨才获得了应有的荣誉。2菲涅耳的衍射理论和油松亮斑 最早发现光的

31、衍射现象的人是意大利物理学家格里马弟（Francesco Grimaldi，16181663）。在他逝世后于1665年出版的光、色、虹的物理数学中，描述了他所作的光的衍射实验。如图95所示，他在百叶窗上钻一条狭缝AB，使阳光从晴朗天空通过该缝进入一个完全封闭的黑暗空间，该光的漫射状如锥形ACDB，在光中放一不透明的物体EF。他发现EF的影子MN比按几何光学计算的应有的大小IL要宽一些，在受到强烈照射的 CM、 ND部分，靠近影子边缘的区域，还有几层带颜色的带子，越在外越窄。如图卜C所示，第一层最宽的带是NMQ，N是蓝色条纹，O是红色条纹，M无色是最宽、最亮的区域。第二层QPR，第三层TSV仍然

32、是靠近阴影的部分带蓝色，远离影子的部分带红色。他设想光是一种能够作波浪式流动的流体，不同的颜色是波动频率不同的结果。他发现光在物体的边缘发生了微小的弯折，他第一个称这种现象为衍射。他指出；“这种光带显然与孔人B的大小有关，因为如果孔很大，它们就不见了。”牛顿重复了这些实验，他让光通过两个刀口之间的狭缝，使光线产生了更大的弯曲，牛顿用小孔边缘对微粒的引力来解释这种现象。在菲涅耳发表他的论文以前，衍射效应一直没有得到正确的解释。 1815年，法国物理学家菲涅耳（AJFresnel，17881827）向法国科学院提交了关于光的衍射的第一份研究报告，这时他还不知道托马斯杨关于干涉和衍射的论文。根据惠更

33、斯的子波假设，菲涅耳以于波相干叠加的思想补充了惠更斯原理，发展成为惠更斯一菲涅耳原理。他认为在各子波的包给面上，由于各子波的互相干涉而使合成波具有显著的强度，这给予惠更斯原理以明确的物理意义。 1818年，法国科学院提出了征文竞赛题目：一是利用精确的实验确定光线的衍射效应、二是根据实验，用数学归纳法推求出光通过物体附近时的运动情况。在法国物理学家阿拉果与安培的鼓励和支持下，菲涅耳向科学院提交了应征论文。这篇论文的主体是由惠更斯的包络而作图法同杨氏干涉原理结合而组成，建立了他的作图形式的衍射理论。他用半波带法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹。菲涅耳把自己的理论和对于实验的说明提

34、交给评判委员会。参加这个委员会的有：波动理论的热心支持者阿拉果；微粒沦的支持者拉普拉斯、泊松和比奥；持中立态度的盖吕萨克。菲涅耳的波动理论遭到了光的粒子论者的反对。在委员会的会议上泊松指出，根据菲涅耳的理论，应当能看到一种非常奇怪的观象：如果在光束的传播路径上，放置一块不透明的圆板，由于光在圆板边缘的衍射，在离圆板一定距离的地方，圆板阴影的中央应当出现一个亮斑，在当时来说，这简直是不可思议的，所以油松宣称，他已驳倒了波动理论。菲涅耳和阿拉果接受了这个挑战，立即用实验检验了这个理论预言，非常精彩地证实了这个理论的结论，影子中心的确出现了一个亮斑。这个亮斑后来称之为泊松亮斑。在托马斯杨的双缝干涉和

35、油松亮斑的事实的确证下，光的粒子说开始崩溃了。3光的横波理论和偏振光的干涉 早在牛顿时代，人们就知道通过冰洲石的光束会分裂成两束折射光的现象。 1808年底的一个傍晚，在巴黎卢森堡宫殿外，法国工程师和物理学家马吕斯（Etienne Louts Mains， 17751812）用冰洲石晶体来看落日在玻璃上的反射现象时，他惊奇地发现只出现一个太阳的像，而不是一般双折射时的两个像。原来人们认为，光被反射或折射时，它的物理性质是不会改变的，这个偶然发现打破了这一见解，马吕斯想到这可能是反射造成的。夜间他在验证自己的发现时，观察了蜡烛在水面上的反射，发现当光束和表硕成 36a反射时，在晶体中的一个像就消

36、失了；在其他角度下，两个像的强度一般是不同的。在晶体转动时，较Z亮的像将会变暗，较暗的像将会变亮。 利用其他反射表面，也会看到类似现象，只是发生一个像消失的角度不同（对玻璃来说，光束与表面成35”），1851年，英国的布儒斯特（David Brewster，17811868）发现发生这一现象的入射角的正切等于折射光束所在介质的折射率与人射光束所在介质的折射率之比。 马吕斯对寻常光线和非寻常光线的反射作了进一步的研究后发现，如果一条光线反射了，另一条光线就会进入第二种介质。他由此引入了“光的偏振”这个术语。马吕斯证明了寻常光线和非寻常光线在互相垂直的平面内偏振。 马吕斯进而研究了在简单折射现象中

37、的偏振，他发现光在折射时是部分偏振的，折射光的偏振和反射光的偏振是成相反分布的。他对这一发现非常高兴，认为它击中了（纵波）波动论的要害，而有利于确证把光粒子看作有不同“侧面”的粒子说。并被微粒论的支持者认为是对光的粒子说的“真理性的数学证明”。1816年，菲涅耳和阿拉果一起研究了偏振光线的干涉。他们发现来自同一光源的通过冰洲石分裂成的两条折射光互不干涉。其中每一条折射光束可以用某种光学方法进行分光，分光后的光束都可以自己相互干涉。这一事实给光是纵波的观点造成很大的困难。一直在为波动说的困难寻求解决办法的托马斯杨当知道菲涅耳和阿拉果的工作结果之后，于1817年觉察出，如果光的振动不是象声波那样沿

38、运动方向作纵向振动，而是象水波或拉紧的琴弦那样垂直于运动方向作横向振动，问题或许可以得到解决。1817年初，他写信给阿拉果说：“虽然波动说可以解释横向振动也在径向方向并以相等速度传播，但粒子的运动是在相对于径向的某个恒定方向上，而这就是偏振。”（幻阿拉果立即将托马斯杨的这一新想法告诉了菲涅耳，菲涅耳当时已经独立地领悟到了这个思想，他立即以模向振动的假设解释了偏振光的干涉现象，而且还得出了、系列其它的重要结论。 菲涅耳向阿拉果在研究来胄伺一光源的两条折射光互不干涉的现象时，阿拉果提出了这样一个设想：光波系统可能是由两个相互垂直的振动所组成。菲涅耳发展了这个思想。他提出，光波可用垂直于其传播方向上

39、的一种位移来描述。所以，由于自身结构上的特点，冰洲石晶体和电气石晶体能够把光束分解为相互垂直的两个光分量，这就出现了偏振现象。因为这两个分量是相互独立的，所以它们不能相互干涉，在水平方向上的位移不可能与在垂直方向上的位移相互抵消。菲涅耳写道：“当我们用这样的观点观察事物时，偏振的作用就不再是激起横向运动，而是把横向运动沿两个相互独立、相互垂直的方向分解，并把这两个分量单独。分离出来。因为只有在这种情况下，每一个分量中的振动才处于同一平面内。” 1819年，阿拉果和菲涅耳在化学与物理学年刊上，联名发表了题为关于偏振光线的相互作用的论文。论文一开始，他们概括了杨氏于涉实验所得的“美妙的结果”，又引

40、入了光程的概念。他们指出：“在一切干涉现象中，如果两个不同介质的厚度与其折射率的乘积相等，则该不同介质产生同样的效应。”接着，他们详细地描述了他们所作的一系列偏振光干涉的实验，最后得出五点结论： （1）振动方向相互垂直的偏振光不发生干涉。 （2）振动方向相同的偏振光发生干涉，与自然光产生的干涉相同。 （3）原来振动方向相互垂直的两束偏振光，当用某种光学方法，使偏振面转动到同一平面后，仍然不发生干涉。 （4）原来振动方向相同的一束偏振光，当用某种光学方法分裂成相互垂直的两束偏振光，转动偏转面后又回到同样的偏振状态，两束光发生干涉，与自然光的干涉相同。 （5）双折射光线的干涉条纹的位置，不只是由路

41、程差和速度差决定，在某些情况下，还必须把半波损失考虑在内。 但是，新的光的波动说也5！起了关于以太的性质的许多问题，这甚至使菲涅耳在接受光的横波假设之前，也经过一段犹豫。他提出：“这个假设与公认的弹性液体振动本质的概念如此矛盾，以致我长久以来不能决定采用它；甚至当全部事实和长久的思考使我相信这个假设对于说明光学现象是必要的”他指出：纵波可以通过气体介质传播，而横向振动只能在固体物质中产生。但很难设想一种能传播横渡的固态以太，却能让天体自由通过。杨氏在谈到菲涅耳关于光波系统是由垂直于传播方向的两个相互垂直的振动所组成的假设时，写道：“菲涅尔先生的这个假设，至少应当被认为是非常聪明的。利用这个假设

42、可以进行相当满意的计算。可是，这个假设又带来了一个新问题，它的后果确实是可怕的到目前为止，人们都认为只有固体才具有横向弹性。所以，如果承认波动理论的支持者们在自己的讲稿中所描述的差别，那么就可以得出结论说：充满一切空间并能穿透几乎一切物质的光以太，不仅应当是弹性的，并且应当是绝对坚硬的！” 菲涅耳的研究成果，标志着光学进入了一个新时期弹性以太光学的时期。这个学说的成功，在牛顿物理学中打开了第一个缺口。由于菲涅耳的工作给波动理论奠定了如此牢固的基础，他被人们称为“物理光学的缔造者”。 在1850年进行了一项由阿拉果首先建议的，由傅科（LFoilcault）、斐索（AHLFizeau，181918

43、96）和布雷格特（LBreguet）作的关于光速的仲裁实验。当光从光疏介质进入光密介质时，按照微粒论者的解释光在光密介质中的光速比较大；样反，波动论者依据惠更斯作图，要求光密介质中的光速比较小。傅科等直接测量了空气和水中的光速，结果毫无疑问，判定波动理论获胜。相对于波动理论所取得的胜利来说，这个仲裁实验显得近乎多余了。（四）光是电磁波的发现当光的弹性以太理论遇到许多困难的时候，电磁学的一系列发现，揭示了光与电磁的内在联系，证明了光是电磁波。 1845年法拉第发现了光的振动面在强磁场中的旋转。这表示光学现象与磁学现象间存在内在的联系。当他用一束偏振光顺着磁力线方向透过置于强电磁铁的两个磁极之间的

44、“重玻璃”时，利用尼科耳棱镜，他发现，光的偏振面发生了一定角度的偏转，磁力越强，偏转角越大。这就是法拉第的磁致旋光效应。这个发现载于他的电学的实验研究第十九部分。法拉第兴奋地说：“我确信，光与电和磁的关系是从这里开始被发现的”“这件事更有大地证明，一切自然力都是可以互相转化的，有着共同的起源。”我们知道，这种效应实际上是磁场使位于其中的物质受到影响，间接地使光的偏振面发生旋转，并非磁场对光的直接作用。 在电磁学中，电量的单位有静电单位与电磁单位。电量的静电单位是根据库仑定律定义的：一个静电单位的电荷，对一个相距一厘米远的同样电荷的排斥力是一达因。在电磁单位中，电流强度的单位定义为：在两根相距一

45、厘米的长平行导线上，当它们的每单位长度彼此以二达因的力相互作用时所流过的电流。由此就可以得到电量的电磁单位的定义：单位电流强度在单位时间内流过的电量。1856年韦伯和柯尔劳斯在莱比锡做的电学实验结果，发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于光在真空中的传播速度，即3108m/s。这一惊人的结果进一步揭示了电磁现象和光现象之间的联系，这是对于光的电磁理论具有根本性意义的一个重要发现。 1865年，麦克斯韦发表了一篇著名的论文电磁场的动力理论。在这篇文章中他提出了完整的电磁场方程组。从方程组推出了电场强度E和磁感应强度B的波动方程。方程表明电磁场以波动形式传播，两者相互垂直并都垂直于传播方向的电场和

46、磁场构成了统一的电磁场，它们以横波的形式在空间传播，形成电磁波，并求出电磁波的传播速度为 1 和分别为介质的磁导率和介电常数，于是在真空中的之值等于电量的电磁单位与静电单位之比，其值为 3108m/s。恰好等干由实验测定的光速。这个奇妙的结果促使麦克斯韦在他的思想里实现了一个极具创造性的巨大飞跃：“两个结果的一致性表朋，光和磁乃是同一实体的属性的表现，光是一种按照电磁定律在场内传播的电磁扰动。”后来，他在给威廉汤姆孙的信中写道：“我得出了自己的方程。我住在外省，我并不怀疑，我所得出的磁效应的传播速度与光速很接近，因此我想，我有一切根据可以认为，磁的介质和光传播的介质是同一个介质。” 1868年

47、，麦克斯韦发表了一篇短而重要的论文关于光的电磁理论，明确地把光概括到电磁理论中，这就是著名的麦克斯韦创立的电磁波学说。这样，麦克斯韦就把原来相互独立的电学、磁学和光学这三个重要的物理学领域结合起来。成为18世纪中叶物理学上实现的一个重大综合。 1886年10月，德国物理学家赫兹（Hinrich Hertz，1857一1894）在作放电实验时，偶然发现近旁一个线圈也发出火花，赫兹敏锐地想到这可能是电磁共振。干是他从1886年10月25日开始集中力量进行验证麦克斯韦的电磁波是否存在的实验。1886年12月2日赫兹发现“两个电振荡之间成功地引起了共振现象”。他用火花隙振荡放电作电磁波发射体，通过改变

48、感应线圈火花间髓处所附的金属电极的形状和大小来控制火花振荡的频率。用一个开口线圈作接收天线。开口线圈的两端装有两个小铜球。在这两个小钢球之间，每通过一次火花，就表示接收到了一个人射电磁波。当他把接收天线放在感应圈附近，他观察到当感应圈两极间有火花跳过时，接收天线的间隙处也有火花跳过，从而证实了电磁波的存在。 1888年，赫兹直接从频率和波长测量了电磁渡的传播速率。接着他又用这个简单的仪器证明了这种电磁辐射具有和光类似的特性，包括在固体表而上的反射，用金属凹面镜聚焦，通一过小孔时的衍射，显示干涉效应，以及通过非导体材料时的折射等等，至此就确立了光的电磁理论的基础。 1896年洛伦兹（HALore

49、nntz）创立了电子论，他认为原子和分子内含有带负电的电子，在无外力时电子处于平衡位置；在外力作用下，电子作阻尼振动而产生光的辐射，当光通过介质时，介质中电子的自然频率与外场的频率相同时，则受缚电子成为吸收体。这样，利用洛伦兹电子论不仅解释了发光和物质吸收的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点。 光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重要的作用，它一指出光和电磁现象的一致性，并且再一次证明了自然现象存在着相互联系这一辩证唯物论的基本原理，使人们在认识光的本性方面向前迈出了一大步。（五）爱因斯坦的光量子假设光的波粒二象性的统一 19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用

50、的微观机构中，在解释光电效应现象时，近代物理学革命的先锋爱因斯坦（Albert Einstein，18791955）提出了光量子假设。 1887年，赫兹在进行证明电磁波存在的实验时，发现了光电效应现象。他注意到当接收电磁波的电极之一受到紫外光照射时，两极之间就容易出现电火花。他在1887年发表的论紫外光的放电效应一文中，首先描述了这些现象。1889年，霍尔瓦克斯（WHallwachs，1859一1922）指出如果用光照射锌、钠、钾等金属表面，就会有负电粒子释放出来。赫兹的助手勒纳德（PLenard，18621947）在1902年发表了对光电效应的第一批定量研究结果，他测量了在紫外光照射下，铝板

51、发出的电子的荷质比。他确信赫兹看到的火花加强的现象是金属表面发射电子的结果。他发现光电效应有三个为经典波动理论无法解释的主要性质：第一，出射光电子的动能只同人射光的频率有关。同入射光的强度无关；第二，每种金属表面都存在一个特征截止频率，频率小于0的入射光不管其强度有多大，都不能发生光电效应；第三，只要入射光的频率大于断上频率，则无论它多么微弱，都会立即引起光电子发射，不存在滞后时间。 这三点对经典电磁理论提出了挑战。按照经典理论，光的能量是连续的；电子从光波的波阵面上连续获得能量，能量的大小应当与光的强度有夫，而光强与光矢量（即电场强度E）振幅的平方成正比，与频率无关。但实验结果表明，光电子的

52、逸出只与入射光的频率有关。只要入射光的频率、大于截止频率，不论光强多么微弱，就有光电子发生，如果0，不论光强多强，也没有光电子产生。按照经典理论，光能量分布在波画上，金属中的电子吸收能量的范围是句限的，电子从金属中逸出需要一段积累能量的时间，但实验表明光电子的逸出是瞬时的，不存在滞后时间。光电效应使经典理论陷入了困境。 1905年，年轻的爱因斯坦勇敢地抛弃了经典理论的传统偏见，接受了普朗克（Max Planck，1858一1947）提出的能量量子化概念；发表了题为关于光的产生和转化的一个启发性观点的论文。他写道：“用连续空间函数来运算的光的波动理论，在描述纯粹的光学现象时，已被证明是十分卓越的

53、，似乎很难用任何别的理论来替换。”“但是可以设祖，当人们把用连续空间函数进行运算的光的理论应用到光的产生和转化的现象上去时，这个理一论会导致和经验相矛盾。”爱因斯坦在指出了经典理论的缺点后，接着，提出了他的光量子假设。他写道；“在我看来，关于黑体辐射，光致发光，紫外光产生阴极射线，以及其他一些有关光的产生和转化的现象的观察，如果用光的能量在空间不是连续分布的这种假设来解释，似乎就更好理解。按照这里所设想的假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由个数有限的、局限在空间各点的能显子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来。”

54、爱因斯坦在这里进一步发展了普朗克的能量量子化思想。他指出光不仅在发射或吸收时具有粒子性，光在空间传播时也具有粒子性。也可看作光是一粒一粒以光速c运动的粒子流。这些光粒子称为光量子，也称为光子。每一个光子的能量h，与频率、成正比，h是普朗克常量。 按照光子假说，光电效应解释如下：当光子照射到金属表面时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需要积累时间。电子把光子能量的一部分变成它边出金属表面所需的功W。另一部分转化为光电子的动能 这就是爱因斯坦光电效应方程。由这一方程可以直接解释前述的光电效应的几个性质。 至此，人们一方面从光的干涉、衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性；另一方面又从黑体辐射、光电效

55、应、康普顿效应证实了光的粒子性。如何将光的本性的两个完全不同的概念统一起来，人们进行了大量的探索工作。1924年德布罗意创立了物质波学说，他设想每一物质粒子的运动都和一定的波相联系。这一假设在1927年为戴维逊（CJDavisson，18811958）和革末（LHGerher，18961971）的电子束衍射实验所证实。事实上，不仅光具有波动性和微粒性，也就是所谓波粒二象性，而且一切实物粒子同样，具有这种二重性。1925年玻恩（MBorn，18821970）提出波粒二象性的概率解释，建立了波动性和微粒性之间的联系。电子的双缝衍射实验表明。单个粒子在何处出现有一定的偶然性，但大量粒子的分布表现为具有波动性。这就是微观粒子波动性的统计解释。今天人们对光的本性的认识还远远没有达到最后境地，还要不断探索、不断前进。