光的微粒说与波动说,300年光学论战——波动光学时期

2021-06-21 15:19:30

1、 笛卡尔的伏笔

在人们对物理光学的研究过程中，光的性质和光的颜色成为人们关注的焦点。笛卡尔在他的方法论的三个附录之一“折叠光学”中提出了两个关于光的性质的假设。一种假设是光是一种类似粒子的物质；另一个假设是光是一种基于“以太”的压力。笛卡尔虽然强调媒介对光的影响和作用，但他的两个假设为粒子理论和波动理论的争论奠定了基础。

2、 辩论的开始

17世纪中叶，物理光学得到了进一步的发展。1655，意大利博洛尼亚大学的数学教授格里米迪在观察放置在一根横梁上的木棒的阴影时，首先发现了光线的衍射。所以他认为光可能是一种类似于水波的流体。

格里马尔迪设计了一个实验：将一束光穿过一个小孔，然后光线穿过小孔照射在黑暗房间的屏幕上。他发现光线穿过洞后明显变宽了。格里马尔迪进行了进一步的实验，他让光束穿过两个孔，然后击中暗室的屏幕，然后得到了明暗条纹的图像。他认为这一现象与水波非常相似，并得出结论，光是一种可以做出波浪状运动的流体，不同颜色的光是不同波频率的结果。格里玛最早提出“光的衍射”概念，是光波理论的最早倡导者。1663年，英国科学家博伊尔提出，物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照对物体的影响。他第一次记录了肥皂泡和玻璃球上的彩色条纹。这一发现符合格里马尔迪的理论，为以后的研究奠定了基础。不久后，英国物理学家哈克通过观察肥皂泡膜的颜色，重复了格里马尔迪的实验，提出了光是以太纵波的假设。根据这个假设，胡克还认为光的颜色是由它的频率决定的。    光电探测器    光纤放大器   中红外QCL激光器   MCT探测器    光电探测器    光纤放大器    中红外QCL激光器    半导体激光二极管   MCT探测器

然而，在1672年，伟大的牛顿在他的论文《光与色的新理论》中谈到了他的光的色散实验：让太阳光通过一个小孔照射在暗室中的棱镜上，在对面的墙上得到一个彩色光谱。他认为光的组合和分解就像不同颜色的粒子混合在一起并分离。在这篇文章中，他用粒子理论来描述光的颜色理论。

“光的颜色”的导火索引发了涨落理论和粒子理论之间的第一次争论。从那时起，胡克和牛顿之间展开了一场漫长而激烈的辩论。

3、 发展

1672年2月6日，由胡克和博伊尔组成的皇家学会委员会以胡克为主席，对牛顿的论文《光与色的新理论》持否定态度。牛顿没有完全否定波动理论，也不是粒子理论偏颇的支持者。但争论过后，牛顿在许多论文中驳斥了胡克的涨落理论。由于当时牛顿和胡克还没有形成一个完整的理论，涨落理论和粒子理论的争论并没有全面展开。但科学界的争论是，一旦它出现，就要找到一块石头。

哈克的观点得到了波理论支持者、荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯的继承和完善。惠更斯早年在天文学、物理学和技术科学方面做出了重要贡献，系统地研究了几何光学。1666年，惠更斯被邀请到巴黎科学院学习物理光学。在担任院士期间，惠更斯到英国旅行，并在剑桥与牛顿会面。他们彼此非常愉快，并就光的性质交换了意见，但惠更斯的观点更倾向于涨落理论，因此他和牛顿之间存在分歧。正是这种分歧激发了惠更斯对物理光学的强烈热情。回到巴黎，惠更斯重复了牛顿的光学实验。他仔细研究了牛顿的光学实验和格里马蒂实验，认为其中许多实验并没有用粒子理论来解释。因此，他提出了较为完整的波动理论。

惠更斯认为光是一种机械波；光波是由物质载体传输的纵波，其物质载体为“醚”；波面上的点是引起介质振动的波源。根据这一理论，惠更斯证明了光的反射和折射定律，并解释了衍射、双折射和著名的牛顿环实验。如果这些理论不容易理解，惠更斯又举了一个生命的例子来反驳粒子理论。如果光是由粒子组成的，粒子在光的传播过程中会相互碰撞，导致光传播方向的改变。但事实并非如此。

惠更斯在积极宣传波动理论的同时，牛顿的质点理论也逐渐建立起来。牛顿修改并完善了他的光学著作《光学》。牛顿在各种实验的基础上，一方面提出了反驳惠更斯光学理论的两个理由：第一，如果光是波，它应该能够绕过障碍物，而不是像声波那样产生阴影；第二，冰山的双折射现象表明光在不同的边缘具有不同的性质，涨落理论不能解释其原因。另一方面，牛顿将他的物理粒子观扩展到整个自然界，并与他的粒子力学体系相结合，为粒子理论提供了有力的支持。

为了不再与胡克争论，光学在胡克死后的第二年（1704年）正式发布。但惠更斯和哈克此时相继死亡，浪潮称没有任何一方准备战斗。牛顿因其对科学界的巨大贡献，成为世界上最伟大的一代科学家。随着牛顿声望的提高，人们崇拜他的理论，重复他的实验，相信与他相同的结论。在整个18世纪，很少有人挑战粒子，也很少有人对光的本质做进一步的研究。

18世纪末，在德国自然哲学的影响下，人们的思想逐渐得到解放。英国著名物理学家托马斯·杨开始怀疑牛顿的光学理论。根据一些实验事实，杨元庆于1800年撰写了《光与音的实验与问题》一文，对光与音进行了比较，因为两者在重叠后都有加强或减弱的现象。他认为光是以太流中的弹性振动，并指出光是以纵波的形式传播的。他还指出，光的不同颜色和频率是相似的。1801年，杨氏著名的双缝干涉实验被进行。实验中使用的白色屏幕上的黑白条纹证明了光的干涉，从而证明光是一种波。同年，杨在英国皇家学会《哲学杂志》上发表论文，分别对牛顿环实验和自己的实验进行了解释，首次提出了光的干涉概念和光的干涉定律。

1803年，杨元庆写了他的论文《物理光学的实验与计算》。他根据光的干涉定律进一步解释了光的衍射现象，认为衍射是由直射光和反射光的干涉形成的。但由于他认为光是一种纵波，所以在理论上遇到了很多麻烦。他的理论受到英国政治家布鲁姆的批评，被称为“不合逻辑”、“荒谬”和“一文不值”。

虽然杨元庆的理论及其后来的反驳没有得到足够的重视，甚至遭到诽谤，但他的理论引起了牛顿学派对光学研究的兴趣。

1808年，拉普拉斯用粒子理论分析了光的双折射现象，驳斥了杨氏波动理论。

1809年，马吕斯在实验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光在简单折射中的偏振时，他发现光在折射中是部分偏振的。由于惠更斯曾提出光是一种纵波，而纵波不可能有这样的偏振，这一发现成为反对波动理论的有力证据。

1811年，在研究光的偏振时，布鲁斯特发现了光偏振的经验定律。

光的偏振现象和偏振定律的发现，使波理论陷入困境，使物理光学的研究向粒子理论方向发展。

1817年，他放弃了惠更斯关于光是纵波的理论，提出了光是横波的假设，成功地解释了光的偏振现象。在吸收了牛顿的一些观点之后，他建立了一个新的波动理论。杨给牛顿的阿拉戈写了一封信，讲述他的新思想。

1817年，巴黎科学院颁发了关于光干涉的最佳论文奖。土木工程师菲涅尔也参与了波动理论和质点理论的争论。1815年，菲涅尔试图复兴惠更斯的波动理论，但他与杨没有接触。当时，他还不知道杨关于衍射的论文。他在论文中提出，各种波的干扰使合成波具有显著的强度。事实上，他的理论与杨的相反。后来，阿拉戈告诉他杨的新理论，光是一个横波，菲涅尔开始他的研究基础上，杨的理论。1819年，菲涅尔成功地完成了对两个平面镜产生的相干光源的光干涉实验。经过杨氏干涉实验，光波理论再次得到验证。在与菲涅尔研究了一段时间后，阿拉戈转向涨落理论。1819年底，在菲涅尔对光的传播方向进行了定性实验之后，他和阿拉戈建立了光波横向传播的理论。

1882年，德国天文学家弗劳恩霍夫首次研究了光栅对光的衍射。继他之后，另一位德国物理学家施维德根据新的光波理论成功地解释了光通过光栅的衍射现象。

到目前为止，新波浪理论已经牢固地建立起来。粒子理论正变得不利。

随着光波理论的建立，人们开始寻找光波的载体，以太理论再次活跃起来。一些著名的科学家成为乙醚理论的代表。然而，人们在寻找乙醚的过程中遇到了许多困难，各种假说相继提出，乙醚成为19世纪的研究热点之一。

当菲涅尔研究乙醚时，他发现横波介质应该是一种固体。如果乙醚是一种固体，它怎能不干扰天体的自由运动呢。不久之后，泊松又发现了一个问题：如果乙醚是固体，光的横向振动必然存在纵向振动，这与光波的新理论相矛盾。

为了解决各种问题，柯西在1839年提出了乙醚的第三种理论，即乙醚是一种负可压缩介质。他试图解决泊松提出的问题。1845年，斯托克斯用石蜡、沥青和树胶作类比，试图证明一些物质有足够的硬度来传播横向振动，但也有压缩和伸展的能力，这样它们就不会影响天体的运动。

1887年，英国物理学家迈克尔逊和化学家默里通过“以太漂移”实验否认了以太的存在。但此后，许多科学家坚持研究乙醚。即使在法拉第的光的电磁理论和麦克斯韦的光的电磁理论被提出之后，许多科学家仍致力于乙醚的研究。

19世纪中后期，在光的波动理论与粒子理论的争论中，波动理论取得了决定性的胜利。然而，人们在寻找光波的载体时遇到的困难表明了波动理论的危机。

1887年，德国科学家赫兹发现了光电效应，再次证明了光的粒子性质！

4、 结束

20世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子理论。1921年，爱因斯坦因“光的波粒二象性”获得诺贝尔物理学奖。

1921年康普顿证明了X射线的粒子性质，1927年，gemmer和后来的George Thomson证明了电子束具有波的性质。证明了氦原子射线、氢原子射线和氢分子射线具有波的性质。

在新的事实和理论面前，光涨落理论与粒子理论的争论以“波粒二象性”而告终。

光涨落理论与粒子理论的争论始于17世纪初笛卡尔提出的两个假说，20世纪初以光波粒子的二重性而告终，至今已有300多年的历史。许多著名的科学家，如牛顿、惠更斯、托马斯·杨和菲涅尔，都成为争论双方的主要辩论者。正是他们的努力揭开了掩盖“光的本质”的混乱面纱。

反思与思考：

在物理学史上，光粒子与波的理论经历了300多年的大争论。双方都找到了支持自己一方的新证据和理论支撑，并不断更多地确认自己一方是正确的，从而更多地确认对方是错误的，批评对方的观点。双方的逻辑很简单：“因为我们是对的，你一定是错的。”。300年来，争论一直在上升。两校都说公道，母亲说母亲讲道理。

最后，争论完全结束于20世纪爱因斯坦发现“光的波粒二象性”。简言之，爱因斯坦发现他们是对的，但有一半是对的。

爱因斯坦有句名言：“自然喜欢矛盾”，这句话很深刻。

请不要忘记是谁创造了宇宙。