物理学史44光的微粒说和波动说.docx

4.4光的微粒说和波动说什么是光？光的本性是什么？它由什么组成？每一位研究光学现象的物理 学家都必然会涉及这些问题从折射定律和色散现象的研究也可看出这一点笛卡儿主张波动说，他认为光本质上是一种压力，在完全弹性的、充满一切 空间的媒质（以太）中传递，传递的速度无限大但他却又用小球的运动来解释 光的反射和折射牛顿倾向于微粒说，认为光可能是微粒流，这些微粒从光源飞 出，在真空或均匀媒质中作惯性运动，但他在研究牛顿环时，却认识到了光的周 期性，使他把微粒说和以太振动的思想结合起来，对干涉条纹作出了自己的解释 可见，不论是笛卡儿还是牛顿，都没有对光的本性作出肯定的判断4.4.1早期的波动说胡克明确主张光是一种振动，并根据云母片的薄膜干涉现象作出判断，认为 光是类似水波的某种快速脉冲在1667年出版的《显微术》一书中，他写道①“在均匀媒质中，这种运动在各个方向都以同一速度传播，所以发光体的每 个脉冲或振动都必然会形成一个球面这个球面不断扩大，就如同把石块投进水 中在水面一点周围的波或环，膨胀为越来越大的圆环一样（尽管要快得多）由 此可见，在均匀媒质中激起的这些球面的所有部分都与射线以直角相交荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想。

他进一步提出光是发光体中微小粒 子的振动在弥漫于宇宙空间的以太中的传播过程光的传播方式与声音类似，而 不是微粒说所设想的像子弹或箭那样的运动1678年他向巴黎的法国科学院报 告了自己的论点（当时惠更斯正留居巴黎），并于1690年取名《光论》（Traite de laLumiere）正式发表他写道①：“假如注意到光线向各个方向以极高的速度传播，以及光线从不同的地点甚 全是完全相反的地方发出时，其射线在传播中一条穿过另一条而互相毫无影响， 就完全可以明白：当我们看到发光的物体时，决不会是由于这个物体发出的物质 迁移所引起，就象穿过空气的子弹或箭那样罗迈（Olaf Roemer， 1644—1710）在1676年根据木星卫蚀的推迟得到光 速有限的结论，使惠更斯大受启发罗迈观测到当地球行至太阳和木星之间时， 木卫蚀提早7—8分钟，而当地球行至太阳的另一侧时，木卫蚀却推迟7—8分钟 由此推算光穿越地球轨道约需22分钟惠更斯根据罗迈的数据和地球轨道直径 计算出光速c=2X108米/秒这个结果虽然尚欠精确，却是第一次得到的光速值 于是惠更斯设想传播光的以太粒子非常之硬，有极好的弹性，光的传播就象振动 沿着一排互相衔接的钢球传递一样，当第一个球受到碰撞，碰撞运动就会以极快 的速度传到最后一个球。

图4-12就是惠更斯自己画的一幅示意图他认为，以 太波的传播不是以太粒子本身的远距离移动，而是振动的传播惠更斯接着写道:“我们可以设想，以太物质具有弹性，以太粒子不论受到推斥是强还是弱都 有相同的快速恢复的性能，所以光总以相同的速度传播图4-13是惠更斯描绘光波的示意图这样，惠更斯就明确地论证了光是波 动（他认为是以太纵波），并进而以光速的有限性推断光和声波一样必以球面波 传播接着，惠更斯运用子波和波阵面的概念，引进了一个重要原理，这就是著 名的惠更斯原理他写道①“关于波的辐射，还要作进一步考虑，即传递波的每一个物质粒子，仅将运 动传给从发光点开始所画直线上的下一个粒子，而且还要传给与之接触的并与其 运动相对抗的其他一切粒子结果是，在每个粒子的周围，兴起了以该粒子为中 心的波所以，（如图4—14），设DCF是从发光点A发出的并以该点为中心的 波，则在球面DCF内的一个粒子B，将产生自己独有的波（按：即子波）KCL， 与这个波在C点触及波DCF的同时，从A点发出的主波也到达DCF显然，波KCL 与波DCF的唯一接触点是在AB直线上，即C点球面DCF内的其他点bb、dd 等等也将类似地产生各自的波。

每个这样的波与波DCF相比虽然都无限微弱，但 所有这些波距A点最远的那部分表面却组成了波DCF （按：即波阵面）接着，惠更斯用他的原理说明了光的反射和折射从他的理论可以推出与笛 卡儿不同的折射公式：1669年丹麦的巴塞林纳斯（Erasmus Bartholinus，1625—1698）发现了双 折射现象当他用方解石（也叫冰洲石）观察物体时，注意到有双像显示经过 反复试验，他确定是这种晶体对光有两种折射：寻常折射和非寻常折射这是继干涉、衍射之后发现的又一光学新现象对于这种新现象，是否能作 出合理的解释，自然是微粒理论和波动理论面临的考验惠更斯在得知巴塞林纳 斯的发现后，立即重复进行了实验他证实了这一现象，并且观察到在其他晶体， 例如石英，也有类似效应，只是效果差些进一步他还确定寻常折射仍然遵守折 射定律，非寻常折射则不遵守折射定律至于双折射现象的解释，惠更斯很巧妙 地提出了椭球波的设想，认为方解石等晶体的颗粒可能具有特殊形状，以全光波 通过时，在某一方向比在另一方向传播得更快一些，于是就出现了不同的折射惠更斯发展了波动理论但是由于他把光看成象声波一类的纵波，因此不能 解释偏振现象他的波动理论也不能解释干涉和衍射现象，因为那时还没有建立 周期性和位相等概念。

早期的波动理论缺乏数学基础，还很不完善，而牛顿力学正节节胜利以符 合力学规律的粒子行为来描述光学现象，被认为是唯一合理的理论，因此，直到 18世纪末，占统治地位的依然是微粒学说4.4.2托马斯•杨的研究托马斯•杨（Thomas Young， 1773—1829）是英国人，从小聪慧过人，博览 群书，多才多艺，17岁时就已精读过牛顿的力学和光学著作他是医生，但对 物理学也有很深造诣，在学医时，研究过眼睛的构造和其光学特性就是在涉及 眼睛接受不同颜色的光这一类问题时，对光的波动性有了进一步认识，导致他对 牛顿做过的光学实验和有关学说进行深入的思考和审查1801年，托马斯.杨 发展了惠更斯的波动理论，成功地解释了干涉现象图4-15是他在论文中用于 说明干涉现象的插图他是这样阐述他的干涉原理的①：“当同一束光的两部分从不同的路径，精确地或者非常接近地沿同一方向进 入人眼，则在光线的路程差是某一长度的整数倍处，光将最强，而在干涉区之间 的中间带则最弱，这一长度对于不同颜色的光是不同的托马斯•杨明确指出，要使两部分光的作用叠加，必须是发自同一光源这 是他用实验成功地演示干涉现象的关键许多人想尝试这类实验往往都因用的是 两个不同的光源而失败。

在1807年托马斯•杨的论文中描述了他的双缝实验，他写道：“使一束单色光照射一块屏，屏上面开有两个小洞或狭缝，可认为这两个洞 或缝就是光的发散中心，光通过它们向各个方向绕射在这种情况下，当新形成 的两束光射到一个放置在它们前进方向上的屏上时，就会形成宽度近于相等的若 十条暗带……图形的中心则总是亮的比较各次实验，看来空气中极红端的波的宽度约为三万六千分之一英寸， 而极紫端则为六万分之一英寸①所谓“波的宽度”，就是波长，这些结果与近代的精确值近似相等双缝干涉实验为托马斯•杨的波动学说提供了很好的证据，这对长期与牛顿 的名字连在一起的微粒说是严重的挑战托马斯•杨说得好②：“尽管我仰慕牛 顿的大名，但我并不因此非得认为他是百无一失的我……遗憾地看到他也会弄 错，而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步果然，托马斯•杨由于提出干涉原理而受到当时一些权威学者的围攻，其中 有一位以牛顿学术权威自居的布劳安(HenryBrougham)攻击得最为刻薄，说托 马斯•杨的文章“没有任何价值”，“称不上是实验”，干涉原理是“荒唐”和“不合逻辑”的，等等一二十年间，竟没有人理解托马斯•杨的工作据说， 托马斯•杨为回驳布劳安专门撰写的论文竟无处发表，只好印成小册子，小册子 出版后，“只卖出了一本”。

1809年，法国的马吕斯(Etienne Louis Malus，1775—1812)发现偏振现 象，并认为找到了决定性的证据，证明光的波动理论与事实矛盾然而，托马斯杨 面对困难并没有动摇自己的科学信念，他写信给马吕斯说①：“您的实验证明了 我采用的理论(即干涉理论)有不足之处，但是这些实验并没有证明它是虚伪 的经过几年的研究，托马斯•杨逐渐领悟到要用横波的概念来代替纵波，而 这正是菲涅耳(Augustin Jean Fresnel， 1788一1827 )继续发展波动理论的出 发点4.4.3菲涅耳的贡献菲涅耳是法国的一位工程师，对光学很感兴趣，曾发明一种用于灯塔的螺纹 透镜，人称菲涅耳透镜他精通数学，因此有条件在光学的数学理论方面作出特 殊的贡献1817年1月12日，托马斯•杨写信给阿拉果，告诉他已找到了用波 动理论解释偏振的线索，说②：“用这个理论也可以解释沿半径方向以相等速度 传播的横向振动，其粒子的运动是在相对于半径的某个恒定的方向这就是偏 振 1818年4月29日，托马斯•杨再次写信给阿拉果，又提到偏振问题，他 把光比之于绳索的振动阿拉果把这封信给菲涅耳看，菲涅耳立即看出这一比喻 为互相垂直的两束偏振光之所以不能相干提供了真正的解释，而这一不相干性正 可作为杨氏假说的极好佐证。

阿拉果和菲涅耳合作研究光学多年，互相垂直的两束偏振光的相十性是他们 共同研究的课题，就这个课题已进行了多次实验，得到了重要成果1819年， 他们联名发表了《关于偏振光线的相互作用》①但是当菲涅耳指出，只有横向 振动才有可能把这个事实纳入波动理论时，阿拉果表示自己没有勇气发表这类观 点，于是论文的第二部分乃以菲涅耳一人的名义发表阿拉果在光学方面作出了 许多贡献，但在关键问题上却令人遗憾地采取了暖昧态度菲涅耳的光学研究和法国科学院1818年的悬奖征文活动有一些联系这次 竞赛的题目是②：“①……利用精密的实验确定光线的衍射效应②根据实验用数学归纳法推导出光线通过物体附近时的运动情况竞赛的评奖委员会的本意是希望通过这次征文，鼓励用微粒理论解释衍射现 象，以期取得微粒理论的决定性胜利主持这项活动的著名科学家，例如：比奥 (J.B.Biot)、拉普拉斯和泊松(S.D.Poission)都是微粒说的积极拥护者然而，出乎意料地是，不知名的学者菲涅耳（当时只有30岁）以严密的数 学推理，从横波观点出发，圆满地解释了光的偏振，并用半波带法定量地计算了 圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹，推出的结果与实验符合得很好， 使评奖委员会大为惊讶。

比奥叹服菲涅耳的才能，写道：③“菲涅耳从这个观点 出发，严格地把所有衍射现象归于统一的观点，并用公式予以概括，从而永恒地 确定了它们之间的相互关系评奖委员泊松在审查菲涅耳的理论时，运用菲涅 耳的方程推导圆盘衍射，得到了一个令人稀奇的结果：在盘后方一定距离的屏幕 上影子的中心应出现亮点，如图4-16泊松认为这是荒谬的，在影子的中心怎 么可能出现亮点呢？于是就声称这个理论已被驳倒在这个关键时刻，阿拉果向 菲涅耳伸出了友谊之手，他用实验对泊松提出的问题进行了检验实验非常精彩 地证实了菲涅耳理论的结论，影子中心果然出现了一个亮点这一事实轰动了巴 黎的法国科学院菲涅耳于是就荣获了这一届的科学奖，而后人却戏剧性地称这个亮点为泊松 亮点菲涅耳开创了光学研究的新阶段他发展了惠更斯和托马斯•杨的波动理论， 成为“物理光学的缔造者”① 转弓1自：E.Whittaker， Ahistory of the Theories of Aetherand Electricity， Vol.1， Nelson， 1951， pp14-15.①转弓1自：n . C .KSp^BgeB，ScTopu 只 ^u3uku，T .1，yqnegru3，1956, pp.220—221.① 原载 C.Huygens，Treatise，pp.19一20，此处转引自：A.E.Sha。