光波動(dòng)學(xué)說興起

1、光波動(dòng)學(xué)說的興起光波動(dòng)學(xué)說的興起摘 要：光的世界，五彩繽紛.人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了由現(xiàn)象到本質(zhì)、由簡單到復(fù)雜、由個(gè)別知識(shí)積累到形成光學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)等一系列循序漸進(jìn)、螺旋上升的過程.在不同時(shí)代，光學(xué)有著不同發(fā)展周期和知識(shí)結(jié)構(gòu)，隨著人類對(duì)自然知識(shí)的探索和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)也不斷更新和完善，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)也在不斷變化著.本文研究光波動(dòng)學(xué)說從萌芽到興起的過程，有益于加深人們對(duì)光的本性認(rèn)識(shí)，對(duì)我們形成科學(xué)思維能力也有很大的幫助.關(guān)鍵字： 光 光波動(dòng)說 光粒子說 興起The rise of wave theory of lightAbstract ：Light of the world, is col

2、orful. Mankind's understanding of light experienced by the phenomenon to the nature, from simple to complex, the accumulation of knowledge by the individual knowledge structure to form a series of progressive optics, screw up the process. At different times, with different development of optical

3、 cycle and the knowledge structure, with the nature of human knowledge, and science and technology in the development of optical knowledge structure update and improve, people's understanding of light changing. In this paper, from the embryonic to the rise of wave theory of light of process bene

4、ficial to deepen understanding of the nature of light, form a scientific thinking on our ability to be very helpful.Keywords: light wave theory of light paticle theory of light rise 目 錄1人類早期對(duì)光的認(rèn)識(shí)和研究42 光波動(dòng)學(xué)說的萌芽時(shí)期43光微粒說和光波動(dòng)說并存的時(shí)期53.1光微粒說與波動(dòng)說的思想淵源53.2微粒說和波動(dòng)說的對(duì)立63.3 微粒說先占統(tǒng)治地位84光波動(dòng)說的復(fù)興及其與微粒說的最終較量84.1 托馬斯

5、·楊的對(duì)波動(dòng)說的研究和貢獻(xiàn)84.2 菲涅爾與泊松亮斑104.3 光波動(dòng)說的勝利125光波動(dòng)學(xué)說的興起和穩(wěn)固136 對(duì)科學(xué)家探索出光波動(dòng)說過程的總結(jié)和致敬141人類早期對(duì)光的認(rèn)識(shí)和研究古代人對(duì)于光現(xiàn)象的記載和研究是和日常生活、觀察天象、占星問卜等同時(shí)開始的，因此光學(xué)的起源也和力學(xué)、熱學(xué)一樣，可以追溯到二、三千年前.我國的墨經(jīng)就記載了許多光學(xué)現(xiàn)象，例如投影、小孔成像、平面鏡、凸面鏡、凹面鏡等等.西方也很早就有光學(xué)知識(shí)的記載，歐幾里得（Euclid，公元前約330275）的反射光學(xué)（Catoptrica）研究了光的反射，阿拉伯學(xué)者阿勒·哈增（Al-Hazen ，9651038）寫

6、過一部光學(xué)全書，討論了許多光學(xué)現(xiàn)象.由于光的物理本性不象力的本性那樣比較容易為人們認(rèn)識(shí)，因此古代光學(xué)基本上停留在對(duì)幾何光學(xué)現(xiàn)象的描述與總結(jié)上，作為一門科學(xué)，發(fā)展比較緩慢從光學(xué)器具看，中國的青銅鏡早就應(yīng)用，而玻璃和琺瑯在埃及、希臘、羅馬發(fā)現(xiàn)較早柏拉圖學(xué)園（ 428348 BC）的教學(xué)內(nèi)容中就已有光的直進(jìn)和反射角與人射角相等的內(nèi)容（反射定律的發(fā)明者已不可考）歐幾里得（ Euclid，約330275 BC）在光學(xué)一書中說：“我們假想光是直線進(jìn)行的，在線與線之間還留出一些空隙光，光線自物體到人眼成為一個(gè)錐體，錐頂就在人眼，錐底在物體只有被光線碰到的東西，才能為我們看見”這就是“流出論”的根據(jù)但原子論者

7、則主張一切感覺都是從物體發(fā)出的物質(zhì)流引起的亞里士多德介于二者之間，主張“視覺是在眼睛和可見物體之間的中介者運(yùn)動(dòng)的結(jié)果”總體看來，人類早期不乏對(duì)光的一些正確認(rèn)識(shí)，但整體上并沒有形成一個(gè)理性的科學(xué)體系.2 光波動(dòng)學(xué)說的萌芽時(shí)期17世紀(jì)中期，已經(jīng)發(fā)明并且制造了望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等光學(xué)儀器，發(fā)現(xiàn)了光的直線傳播規(guī)律，光的獨(dú)立傳播定律，光的反射和折射定律，費(fèi)馬原理等規(guī)律，人們已認(rèn)識(shí)了光的幾何性質(zhì)，初步建立了幾何光學(xué)知識(shí)的基本結(jié)構(gòu).與此同時(shí)，人們又發(fā)現(xiàn)了一些違背幾何光學(xué)知識(shí)的現(xiàn)象.意大利的格里馬爾迪（F.M.Grimaldi，公元16181663）通過觀察放在光書中小棍子的影子發(fā)現(xiàn)衍射現(xiàn)象和雙光干涉.1669年

8、，丹麥科學(xué)家巴塞林(公元16251698)發(fā)現(xiàn)光的雙折射，這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)在光學(xué)發(fā)展史上具有重大意義，因?yàn)楫?dāng)時(shí)已有的幾何光學(xué)知識(shí)解釋這些現(xiàn)象遇到了極大地困難，它迫使人們對(duì)光的行為和本性進(jìn)行新的認(rèn)識(shí).格里馬爾迪為了解釋衍射及雙光干涉現(xiàn)象，假定光是以極快速度傳播、能夠作波浪式動(dòng)作的流體.英國物理學(xué)家胡克（HooK Robert，公元16351703）主張光是一種振動(dòng).他指出：在均勻媒質(zhì)中，光的振動(dòng)“在各個(gè)方向上都以相等速度傳播，于是發(fā)光體的每一脈沖和振動(dòng)都必須形成一個(gè)球面，這個(gè)球面將不斷擴(kuò)大，如同投石于水中引起的越來越大的球狀波一樣.”荷蘭物理學(xué)家惠更斯是波動(dòng)說的創(chuàng)立者，他在1678年論光中明確指出

9、：“光同聲音一樣，是以球面波傳播的.這種波，同石子投在平靜的水面上所形成的波是相似的.”他提出惠更斯原理，形成了比較完整的惠更斯波動(dòng)理論. 惠更斯波動(dòng)理論很好的解釋了反射折射以及雙折射現(xiàn)象，同時(shí)解釋干涉和衍射現(xiàn)象也獲得了一定的成功.但是由于時(shí)代的限制，惠更斯波動(dòng)學(xué)說有很大的缺陷.在惠更斯時(shí)代，人們只知道縱波，因此這種理論不能解釋偏振現(xiàn)象.此外，由于17、18世紀(jì)經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)建立并取得很大的成就，人們總想著用經(jīng)典力學(xué)的概念描述并解釋光學(xué)現(xiàn)象，因而光的波動(dòng)學(xué)說沒有被立即承認(rèn)，直到一百多年后，到19世紀(jì)初，由于托馬斯·楊（T.Young公元17731829）和菲涅爾（A.Fresne公元1

10、7881827）等人的工作才使光的波動(dòng)說重新興旺并向前發(fā)展.3光微粒說和光波動(dòng)說并存的時(shí)期3.1光微粒說與波動(dòng)說的思想淵源關(guān)于對(duì)光的本性這一古老之謎的認(rèn)識(shí)要追溯到古希臘時(shí)代.古希臘杰出的原子論者德漠克利特（Democritus，公元前460一前370）最早提出光是物質(zhì)微粒的觀點(diǎn).他認(rèn)為視覺是由物體射出的微粒進(jìn)入眼睛而引起的.古希臘的男一個(gè)原子論者伊壁鳩魯（Epicurus，公元前341一前270）和古羅馬的原子論者盧克來修（Lucretius，公元前99一前55）堅(jiān)持這一學(xué)說.盧克來修說：“從任何我們看見的東西，必定永遠(yuǎn)有許多原初物體流出來，被發(fā)放出來；被散布到四周各處，這些物體撞擊眼睛，引起

11、了視覺.”量子論者的這一觀點(diǎn)是后來把光看作某種物質(zhì)實(shí)體的粒子說的萌芽.古希臘杰出的思想家亞里士多德（Aristotle，公元前384一前322）認(rèn)為，視覺是在眼睛和可見物體之間的中間介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果.他認(rèn)為這種中間介質(zhì)有讓光通過的可能性（潛在能力），即是透明的，光則把這種可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。所以，沒有中間介質(zhì)就沒有視覺.在這個(gè)理論中包含著后來的光的波動(dòng)說的思想.學(xué)發(fā)展到了17世紀(jì)，法國哲學(xué)家、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家笛卡兒（Rene Descartes，15961650）提出了對(duì)光的本性的看法.英籍德國物理學(xué)家玻恩（Max Born，18821970）和美國物理學(xué)家沃耳夫（EmilWolf，1922一）在他

12、們的光學(xué)原理的歷史引言中說：“在新哲學(xué)的創(chuàng)立者當(dāng)中，笛卡兒可以提出來說一說，因?yàn)樗鶕?jù)他的形而上學(xué)觀念系統(tǒng)地陳述了關(guān)于光的本性的見解.笛卡兒認(rèn)為，光在本質(zhì)上是一種壓力，在一種完全彈性的，充滿一切空間的介質(zhì)（以太）之中傳遞，他并且把顏色的差異歸因于這個(gè)介質(zhì)中粒子的不同速度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).”笛卡兒對(duì)光的本性沒有明確而統(tǒng)一的觀點(diǎn).他在他的著作光的折射中提出了一個(gè)比喻：光通過介質(zhì)傳入人眼，就象機(jī)械脈沖沿著手杖傳入盲人的手和腦中一樣，并沒有某種物質(zhì)性的東西傳入眼睛使我們看到光和色.笛卡爾在這里強(qiáng)調(diào)了介質(zhì)的影響和接觸作用，認(rèn)為光是以太介質(zhì)中某種壓力的傳播過程，所以可以把他算作波動(dòng)論者.但是同時(shí)笛卡兒又從光的微

13、粒觀念中推導(dǎo)出反射定律與折射定律.3.2微粒說和波動(dòng)說的對(duì)立英國物理學(xué)家、天文學(xué)家胡克在他1665年發(fā)表的放大鏡下微小物體的顯微術(shù)或某些生理學(xué)的描述（以下簡稱顯微術(shù)一書中，明確主張光是一種振動(dòng). 同時(shí)他還提出這種振動(dòng)必定是短促的.在討論了光的直線傳播和光速是有限的之后，他寫道：“在一種均勻介質(zhì)中這一運(yùn)動(dòng)在各個(gè)方向都以相等的速度傳播.所以發(fā)光體的每一個(gè)脈動(dòng)或振動(dòng)都必將形成一個(gè)球面.這個(gè)球面將不斷地增大，就如同把一石塊投入水中后在水面一點(diǎn)周圍的環(huán)狀波膨脹為越來越大的圓圈一樣（盡管肯定要快得多）.由此可知，在均勻介質(zhì)中擾動(dòng)起來的這些球面的一切部分與射線交成直角.”可見，胡克實(shí)際上已接觸到波前或波面的

14、概念.而經(jīng)典物理學(xué)的奠基者牛頓基本上是主張微粒說. 他根據(jù)光的直線傳播性質(zhì)，提出光是微粒流的理論.他認(rèn)為這些微粒從光源飛出來，在真空式均勻物質(zhì)內(nèi)由于慣性而作勻速直線運(yùn)動(dòng).早在1672年2月6日牛頓送交英國皇家學(xué)會(huì)的一封信“關(guān)于光和色的新理論”中，就提出了光的微粒說，這是牛頓提交給皇家學(xué)會(huì) 的第一篇論文 ,也正是以這篇論文為起點(diǎn) ,引發(fā)了牛頓的微粒說與惠更斯( Huo gens Christian , 1629 1695)、胡克的波動(dòng)說之間的長達(dá)300年的論戰(zhàn) .牛頓認(rèn)為光線可能是由球形的物體所組成，并用這種觀念解釋了光的直線傳播和光的反射折射定律.“牛頓環(huán)”現(xiàn)象是牛頓的一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)，從這一發(fā)現(xiàn)

15、中他提出并確立了光的周期性.他在光學(xué)中詳細(xì)地描述了這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.當(dāng)他把一個(gè)平凸透鏡放在一個(gè)雙凸透鏡上時(shí)，他觀察到一系列明暗相間的同心圓環(huán).壓緊玻璃體，改變其間空氣膜的厚度，又發(fā)現(xiàn)了條紋的移動(dòng).他還精確地測(cè)量了環(huán)的半徑，發(fā)現(xiàn)環(huán)的半徑的平方構(gòu)成一個(gè)算術(shù)級(jí)數(shù).這里最重要的是對(duì)光的周期性的發(fā)現(xiàn).牛頓這樣寫著；“有時(shí)我一連數(shù)了三十多次周期性變化的序列，在每一個(gè)序列中都包括一明一暗的環(huán)，但是由于它們太窄無法數(shù)清楚.”牛頓的精確觀察，本來是光的波動(dòng)性的證明.他的測(cè)量也為確定各種色光的波長提供了根據(jù)，但是他并未由此走向波動(dòng)說，而是用他的光的微粒和以太振動(dòng)相結(jié)合的新觀點(diǎn)，解釋了他發(fā)現(xiàn)的牛頓環(huán)現(xiàn)象.胡克與牛頓爭論

16、時(shí)，提出不少問題，特別是微粒說所不能解釋的一些事例.為了回答胡克提出的問題，牛頓又進(jìn)一步研究，想辦法如何來完善自己的假說和理論.由于牛頓對(duì)振動(dòng)和波動(dòng)過程有一個(gè)嚴(yán)格的了解并有一個(gè)嚴(yán)整的數(shù)學(xué)原理，所以他在與胡克爭論過程中，認(rèn)為在自己的關(guān)于光的粒子結(jié)構(gòu)的理論中，作出的結(jié)論是正確的，但是他也表明作出這個(gè)結(jié)論并沒有絕對(duì)肯定，所以只能用兩個(gè)字來表示：“可能”。進(jìn)而認(rèn)為這個(gè)結(jié)論在極端的情況下，僅是自己學(xué)說的大概的結(jié)果，而不是它的基本前提. 堅(jiān)持光的波動(dòng)說，并想建立理論來解釋它的是荷蘭物理學(xué)家惠更斯（Chsistisll Huygells， 16291695）. 惠更斯于1678年向法國科學(xué)院提交了光論這本著

17、作，該書于1690年出版. 惠更斯以下列論據(jù)來駁斥牛頓的微粒說，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)甚至是完全相反的地方發(fā)出時(shí)，光射線在傳播中，一條光線穿過另一條光線而相互毫不影響，就能完全明白這一點(diǎn)：當(dāng)我們看到發(fā)光的物體時(shí)，決不可能是由于從它所發(fā)出的物質(zhì)，象穿過空氣的子彈和箭一樣，通過物質(zhì)遷移引起的.”惠更斯在批評(píng)微粒說時(shí)，提出了他的波動(dòng)說.他認(rèn)為光是由發(fā)光體的微小粒子的振動(dòng)在充滿于宇宙空間的介質(zhì)“以太”中的一種傳播過程，光的傳播方式象聲音的傳播方式一樣. 3.3 微粒說先占統(tǒng)治地位17世紀(jì)，光的波動(dòng)理論處于萌芽階段。笛卡兒認(rèn)為光是一種壓力，胡克卻說光是介

18、質(zhì)中的迅速顫動(dòng)（脈沖），這個(gè)波動(dòng)說經(jīng)過惠更斯的加工，得到了進(jìn)一步的發(fā)揮，但仍然是很粗略的.他沒有指出光現(xiàn)象的周期性，沒有提到波長的概念，更沒有確立相位的概念.他認(rèn)為光波是縱波，不能解釋偏振效應(yīng).雖然當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)了干涉現(xiàn)象、衍射現(xiàn)象,但是波動(dòng)論在對(duì)這些現(xiàn)象的解釋上軟弱無力. 相比之下,18世紀(jì)法國牛頓學(xué)派全面發(fā)展了牛 頓 力學(xué) ,把牛頓力學(xué)建造成為了一個(gè)非常壯麗而完善的體系 ,光的微粒說正好包括在這個(gè)完美體系之中.比起牛頓的微粒說來 ,早期波動(dòng)說更缺乏數(shù)學(xué)的完美性 ,加之由于人們對(duì)權(quán)威的崇拜 ,也由于當(dāng)時(shí)波動(dòng)說還不完善 ,因而到了18世紀(jì)后期,大部分人都接受了光的微粒說,而基本放棄了光的波動(dòng)觀點(diǎn)

19、.使得微粒說在光學(xué)中占統(tǒng)治地位達(dá)一個(gè)世紀(jì)之久.4光波動(dòng)說的復(fù)興及其與微粒說的最終較量在牛頓1704年出版光學(xué)一書以后，差不多相隔整整一個(gè)世紀(jì)（光學(xué)包括對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)）進(jìn)展不大，過去都把這一切歸罪于牛頓的威望.到了十九世紀(jì)光學(xué)的發(fā)展才有所突破，特別是物理光學(xué)的發(fā)展得到了長足的進(jìn)步，開始了波動(dòng)光學(xué)的英雄時(shí)期；這一時(shí)期從1800年一直持續(xù)到十九世紀(jì)三十年代，而這一發(fā)展主要發(fā)生在英國和法國，其代表人物是托馬斯·楊和菲涅耳. 4.1 托馬斯·楊的對(duì)波動(dòng)說的研究和貢獻(xiàn)19世紀(jì)的光學(xué)是由英國醫(yī)生托馬斯·楊以復(fù)興波動(dòng)說的論文揭開序幕的. 楊的光學(xué)研究始自對(duì)視覺器官的研究.他第一

20、個(gè)發(fā)現(xiàn)，眼球在注視距離不同的物體時(shí)改變形狀. 他證明眼睛適應(yīng)不同距離的物體是靠改變眼球水晶體的曲度.他設(shè)想眼網(wǎng)膜有幾種不同結(jié)構(gòu)分別感受紅、綠、紫的光線，并以此說明顏色的感覺和色盲現(xiàn)象. 托馬斯·楊繼續(xù)在愛丁堡、劍橋以及最后在德國的哥廷根從事醫(yī)學(xué)研究，在德國他看出有理由恢復(fù)光的波動(dòng)學(xué)說.他在哥廷根的博士論文里，提出一個(gè)關(guān)于聲音和人的語言的論題.在這個(gè)題目下，他聯(lián)系自己早期的光學(xué)研究，提出聲和光都是波的振動(dòng)，顏色和不同頻率的音是一樣的.人們都公認(rèn)聲音是沿著聲音傳播的方向的空氣中的波動(dòng)，而托馬斯·楊假定光也是一種到處滲透的發(fā)光以太中類似的縱向振動(dòng)，正如惠更斯在他以前所主張的那樣.

21、他指出一個(gè)弱的光源發(fā)出的光和一個(gè)強(qiáng)的光源發(fā)出的光，走得同樣快，這一事實(shí)用光的波動(dòng)說來解釋要比用光的微粒說來解釋容易.人都熟知兩道聲波或者水波可以相互干預(yù)，所以托馬斯·楊就作了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)使兩道光線互相重迭和干預(yù)，從而產(chǎn)生交替的黑白條紋，說明一道光線可以加強(qiáng)或者抵消另一道光線.根據(jù)波段的間距和儀器的大小，他可以算出光波振動(dòng)的波長，得到波長約為一米的百萬分之一.由于光的振動(dòng)波長比照見的物體的尺寸小得多，所以他指出光將沿直線走動(dòng)，并能投出清晰的影子.他知道光線確能在某種程度上繞過不透明物體的邊緣，產(chǎn)生邊緣帶顏色的影子和相互干擾的效果，這些在十七世紀(jì)都曾經(jīng)為格里馬第和其他人研究過，托馬斯

22、3;楊舉出這些現(xiàn)象作為事例以證實(shí)光的波動(dòng)說.在完成了用光的振動(dòng)說解釋當(dāng)時(shí)知道的光學(xué)現(xiàn)象之后，托馬斯·楊和武拉斯頓證實(shí)了惠更斯在冰洲石晶體中所看到的雙折射現(xiàn)象的分析是正確的.1800年，楊發(fā)表了關(guān)于光和聲的實(shí)驗(yàn)和問題一文，對(duì)延續(xù)了一個(gè)世紀(jì)的微粒說提出異議.他說：“盡管我仰慕牛頓的大名，但我并不因此非得認(rèn)為他是萬無一失的.我遺憾地看到他也會(huì)弄錯(cuò)。而他的權(quán)威也許有時(shí)甚至阻礙了科學(xué)的進(jìn)步.”在文章的光學(xué)部分，楊提出了否定微粒說的幾個(gè)理由：第一，強(qiáng)光和弱光源所發(fā)出的光線有同樣的速度，這用微粒說不好解釋；第二，光線由一種介質(zhì)進(jìn)人另一種介質(zhì)時(shí)，一部分被反射，而另一部分被折射，用微粒說解釋也很牽強(qiáng).

23、在文章的聲學(xué)部分，楊依據(jù)水波的疊加現(xiàn)象，提出了聲波的疊加理論.他把由疊加造成的聲音的加強(qiáng)和減弱稱為“干涉”.在聲波干涉中，“拍”現(xiàn)象即疊加造成的聲音時(shí)斷時(shí)強(qiáng)的效果，引起了楊的特別注意.他聯(lián)想到，如果光是一種波動(dòng)，也應(yīng)該有干涉和拍現(xiàn)象，即兩種光波疊加時(shí)，應(yīng)該出現(xiàn)明暗相間的條紋.為了驗(yàn)證他的原理，他做了著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn).他用強(qiáng)太陽光照射在開有小孔的S的不透明遮光板上，通過小孔的光作為點(diǎn)光源，在點(diǎn)光源后面放置另一塊開有兩個(gè)很靠近的小孔的不透明遮光板，并用白布屏接收透過兩個(gè)小孔投射的光，結(jié)果在屏上顯示出在兩束光交疊區(qū)出現(xiàn)一系列亮暗相間的條紋.1801年，楊向皇家學(xué)會(huì)宣讀了關(guān)于薄片顏色的論文.文中

24、正式將干涉原理引人了光學(xué)之中，并且用這一原理解釋薄片上的色彩和條紋面的衍射.在這篇論文中，楊還系統(tǒng)提出了波動(dòng)光學(xué)的基本原理，提出了光波長的概念，井給出了測(cè)定結(jié)果.楊指出，正是由于光波長太短，以致遇障礙物拐彎能力不大，人們才很難觀察到這類現(xiàn)象. 楊的論文在英國學(xué)界引起了敵視.當(dāng)然，他的論文在闡述實(shí)驗(yàn)方面不夠明晰.盡管他本人實(shí)際上做過十分精確的實(shí)驗(yàn)，但由于表述的問題使讀者感到干涉理論只是一些沒有實(shí)驗(yàn)根據(jù)的理論推測(cè).楊沒有氣餒，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，于1803年發(fā)表物理光學(xué)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，對(duì)雙縫干涉現(xiàn)象進(jìn)一步做出了解釋.在 1807年出版的自然哲學(xué)講義中，楊系統(tǒng)闡述了他提出的波動(dòng)光學(xué)的基本原理.1809年

25、，法國物理學(xué)家馬呂斯（17751812）發(fā)現(xiàn)了光在雙折射時(shí)的偏振現(xiàn)象.眾所周知，縱波不可能出現(xiàn)偏振現(xiàn)象，這使楊新近復(fù)興的波動(dòng)說遇到了極大的困難。微粒說的信奉者以此對(duì)波動(dòng)說發(fā)起攻擊.楊于1811年給馬呂斯寫信說：“你的實(shí)驗(yàn)證明了我所采用的理論的不足，但是這些實(shí)驗(yàn)并沒有證明它是錯(cuò)的”.1817年，楊終于發(fā)現(xiàn)了擺脫這個(gè)麻煩的途徑.他在1月12日給法國物理學(xué)家阿拉果的信中說，光波不是一種縱波，而是一種橫波，而偏振完全可以用橫波加以解釋.托馬斯·楊為光波動(dòng)說的復(fù)興作出了開創(chuàng)性的工作. 4.2 菲涅爾與泊松亮斑法國著名物理學(xué)家菲涅耳是光的波動(dòng)學(xué)說的先驅(qū)，他以高超的實(shí)驗(yàn)技巧和杰出的數(shù)學(xué)才能，建立了

26、光的衍射實(shí)驗(yàn)和理論，從而穩(wěn)固地確立了波動(dòng)學(xué)說在物理學(xué)史上的地位1814年，菲涅耳開始致力于光的本性的研究，他再次重現(xiàn)了托馬斯·楊在1801年建立的光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)并用惠更斯子波原理對(duì)這一現(xiàn)象做出了完美的解釋與此同時(shí)，他開始研究小孔衍射的問題1816年他向科學(xué)院提交了第一篇光學(xué)論文.文中仔細(xì)地研究了光的衍射現(xiàn)象,并提出了光的干涉原理.菲涅爾的論文實(shí)驗(yàn)證據(jù)確鑿，很快在法國物理學(xué)界獲得支持.本來信奉微粒說的阿拉果，在受命審查菲涅爾的論文之后，第一個(gè)改信波動(dòng)說.菲涅爾與阿拉果一起繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,于1819年證實(shí)了楊關(guān)于光是一種橫波的主張.1818年，菲涅耳只有30歲，還是個(gè)不知名的學(xué)者，他

27、毅然地參加了科學(xué)院舉行的懸獎(jiǎng)競(jìng)賽并提交了他的論文.這篇論文的基本理論和1816年那篇大體相同，但提出了更有力的分析和計(jì)算，比1816年的論文有重要的創(chuàng)新.菲涅耳的理論完全是建立在波動(dòng)概念的基礎(chǔ)上，他將惠更斯原理同干涉原理結(jié)合在一起.他認(rèn)為，波前上每一點(diǎn)都是次波的波源，所有那些次波的疊加決定了屏上任意一點(diǎn)的光強(qiáng).在這里，菲涅耳使用了干涉原理并考慮到位相關(guān)系，但在兩個(gè)關(guān)鍵問題上和托馬斯·楊有明顯的不同.其一、托馬斯·楊僅僅涉及到沿特殊光路傳播的兩束光的干涉，而菲涅耳則考慮到波前上所有點(diǎn)作用的結(jié)果.其二、托馬斯·楊只討論了同相和反相兩種特殊情況的波的干涉，菲涅耳的解釋則

28、對(duì)任意的位相關(guān)系都適用.菲涅耳精通數(shù)學(xué)，因此有條件在光學(xué)的數(shù)學(xué)理論方面做出特殊的貢獻(xiàn).在論文中，他討論了幾種情況的衍射，即衍射體分別為一個(gè)單縫、一個(gè)窄而不透光的物體和一個(gè)很長的直邊.在衍射體和觀察屏相對(duì)光源位置一定的條件下，菲涅耳通過積分（現(xiàn)在稱為菲涅耳積分），計(jì)算衍射體的幾何影外任意一點(diǎn)的光強(qiáng)和幾何影邊緣以及陰影區(qū)的光強(qiáng).各種不同的衍射情況通過積分的不同限制表示出來，其定積分的結(jié)果提供了變化光強(qiáng)的表達(dá)式.著名的菲涅耳積分構(gòu)成了他建立在波動(dòng)理論基礎(chǔ)上的嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理，推出的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)非常一致.菲涅耳從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，嚴(yán)格地把所有的衍射現(xiàn)象統(tǒng)一起來，并用公式予以概括，從而永恒地確定了它們之間的相互

29、關(guān)系.組成這次評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)的委員都是當(dāng)時(shí)法國科學(xué)界的著名學(xué)者，有拉普拉斯、畢奧、泊松（S·D·Poisson）、阿拉戈和蓋·呂薩克（GayLussac）.后者是中立派，阿拉戈是波動(dòng)論者，前三位都是光的微粒論的積極支持者.懸獎(jiǎng)?wù)魑母?jìng)賽的整個(gè)思想，清楚地體現(xiàn)了拉普拉斯，特別是畢奧的觀點(diǎn).他們的本意是希望通過這次競(jìng)賽鼓勵(lì)年輕的科學(xué)家用微粒理論研究這個(gè)重要而又難處理的衍射問題。多數(shù)評(píng)委是期望一個(gè)微粒論者，而不是一個(gè)波動(dòng)論者獲獎(jiǎng).他們也曾模糊地設(shè)想，競(jìng)賽的勝利者將會(huì)使微粒論達(dá)到完善的程度，從而取得微粒理論的決定性勝利。然而，事實(shí)卻出乎他們的預(yù)料之外.菲涅耳的論文在評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)中

30、和法國科學(xué)界產(chǎn)生了很大的影響，使得評(píng)獎(jiǎng)委員中屬于法國嚴(yán)密數(shù)學(xué)學(xué)派的微粒論的積極支持者大為驚訝，不得不嘆服菲涅耳的才能.但他們對(duì)菲涅耳的理論和實(shí)驗(yàn)證據(jù)并不信服，評(píng)獎(jiǎng)委員泊松在審查菲涅耳的理論時(shí)，把菲涅耳的方程用于圓盤衍射，導(dǎo)致一個(gè)似乎很離奇的結(jié)果:在圓盤后方一定距離的屏幕上影子中心應(yīng)出現(xiàn)亮點(diǎn).泊松認(rèn)為這是荒謬的，是不可能的.在此關(guān)鍵時(shí)刻，阿拉戈用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了亮點(diǎn)的存在.實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和計(jì)算是那樣的一致，使得拉普拉斯、畢奧和泊松找不到任何理由反對(duì)菲涅耳建立在波動(dòng)概念基礎(chǔ)上的邏輯推理和出色的數(shù)學(xué)計(jì)算.評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)只好將這屆的科學(xué)獎(jiǎng)授予了菲涅耳.然而，后人卻戲劇性地把這個(gè)亮點(diǎn)稱為泊松亮點(diǎn).這是一段真實(shí)而有趣的

31、歷史.菲涅爾在毫不了解楊的工作的基礎(chǔ)上獨(dú)立地提出了光的波動(dòng)理論.令人高興的是，他與楊之間并未發(fā)生優(yōu)先權(quán)之爭.當(dāng)阿拉果將他的論文介紹給楊時(shí)，楊對(duì)此進(jìn)行了高度的評(píng)價(jià).由于他們的齊心協(xié)力，微粒說一統(tǒng)學(xué)界的局面被打破.在波動(dòng)學(xué)說基礎(chǔ)上的光學(xué)實(shí)驗(yàn)大量涌現(xiàn)，使19世紀(jì)在物理光學(xué)方面取得了重大的進(jìn)展.托馬斯·楊和菲涅耳的研究成果 , 標(biāo)志著光學(xué)進(jìn)入了一個(gè) 嶄 新 的 時(shí) 期彈 性 以 太 光 學(xué) 時(shí)期.波動(dòng)學(xué)說的成功,被愛因斯坦稱為“在牛頓物理學(xué)中打開了第一道缺口”. 由于菲涅耳在光學(xué)研究上的成就 ,他被譽(yù)為“物理光學(xué)的締造者”.4.3 光波動(dòng)說的勝利托馬斯·楊早在1804年就已經(jīng)指出,

32、比較折射率不同的介質(zhì)中的光速是決定波動(dòng)說和微粒說哪一種正確的關(guān)鍵.1838 年,阿拉果提出進(jìn)行這一決定性實(shí)驗(yàn)的方法 ,他試圖借助高速旋轉(zhuǎn)鏡觀測(cè)的方法來測(cè)量光的傳播速度,但沒有達(dá)到進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)的地步.1849 年,菲索利用地面上的實(shí)驗(yàn)來測(cè)定光速.他的方法是將光源的光從高速 旋轉(zhuǎn)齒輪的齒與齒之間的空隙處射出,利用遠(yuǎn)處 的鏡子將其反射回來,由此測(cè)得空氣中的光速為315300 km/s.1850年 ,傅科將菲索的實(shí)驗(yàn)方法加以改進(jìn) ,測(cè)得空氣中的光速為298000 k m/s ,并測(cè)得水中的光速比空氣中的要小.這樣,波動(dòng)說就得到了決定性的實(shí)驗(yàn)證據(jù) ,使得牛頓的微粒說受到了強(qiáng)有力的沖擊 ,而使波動(dòng)說上升到

33、了統(tǒng)治地位.波動(dòng)學(xué)說的勝利是來之不易的,經(jīng)歷了兩百多年的時(shí)間，是很多科學(xué)家心血的結(jié)晶.倘若托馬斯·楊在他的理論無人問津的情況下放棄對(duì)光的 進(jìn)一步探索 ,也許橫波理論就會(huì)被晚發(fā)現(xiàn)很多年;倘若菲涅耳 在 經(jīng)濟(jì) 困難 面前 放棄 對(duì) 物理 學(xué)的 研究,也許微粒說真的就在19世紀(jì)取得“決定性 的勝利”. 這段科學(xué)史再一次告訴我們,科學(xué)面前不可以迷信權(quán)威 ,要勇于挑戰(zhàn)權(quán)威,堅(jiān)定信念.科學(xué)理論的發(fā)展是一個(gè)漫長的積累和斗爭過程,任何新事物的出現(xiàn)和被認(rèn)同都要經(jīng)歷一段曲折的路程.人們應(yīng)該在艱難險(xiǎn)阻面前堅(jiān)定自己的信念,直到勝利的到來.5光波動(dòng)學(xué)說的興起和穩(wěn)固由于前人的不斷探索，到了十九世紀(jì)中葉，光的波動(dòng)

34、說已經(jīng)取得很穩(wěn)固的地位了；而這個(gè)學(xué)說的最基本證據(jù)是由兩個(gè)法國業(yè)余科學(xué)家，斐索（ Fizesu ，公元 1819 1896）和傅科（ Foucault ，公元 1819 1868 ）所提供的；他們?cè)诠?1849 到公元 1862 這幾年間測(cè)定了光在各種不同介質(zhì)中的速度.在十七世紀(jì)，笛卡兒曾經(jīng)表明，根據(jù)光的微粒說，光在密度高的透明介質(zhì)中的速度就比在空氣中快，而光的波動(dòng)說則設(shè)想光在這種介質(zhì)中應(yīng)當(dāng)走得慢些.斐索在公元 1849 年用一只旋轉(zhuǎn)的齒輪測(cè)量光走過某一給定距離的時(shí)間，齒輪以一定的速度運(yùn)動(dòng)并讓光通過某兩齒之間的空隙，而在下一個(gè)間隙中回來.傅科在公元 1850 年和公元 1862 年用一只旋轉(zhuǎn)的

35、鏡子，令鏡子以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，使它在光線發(fā)出并從一面靜止鏡子反射回來這段時(shí)間內(nèi)，恰好旋轉(zhuǎn)一周.他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都和布拉德雷在公元1728年根據(jù)天文學(xué)所測(cè)量的光速值相符，而傅科的工作表明光在水中比在空氣中走的慢，而且其比值等于水和空氣的折射率之比，猶如光的波動(dòng)說所預(yù)言的那樣.至此，光的波動(dòng)說已經(jīng)深入人心，并為科學(xué)家們廣泛認(rèn)同和接受，光波動(dòng)說在光學(xué)史上成為濃墨重彩的一筆.6 對(duì)科學(xué)家探索出光波動(dòng)說過程的總結(jié)和致敬  科學(xué)探索已隨著歷史的發(fā)展衍生出一種精神，正是這種精神，引領(lǐng)人類不斷進(jìn)步、發(fā)展.如同其他理論一樣，光波動(dòng)學(xué)說的產(chǎn)生和確立的過程也并非一帆風(fēng)順，期間有多位科學(xué)家為此付出了巨大的心血

36、.在這里我們同樣向那些支持光微粒說的科學(xué)家致敬，他們也為探索出光的本性作出了巨大貢獻(xiàn).現(xiàn)在我們來回顧波動(dòng)說興起的過程,感受這種人類探索自然地偉大精神.歷史上，光波動(dòng)說和微粒說有過四次交鋒，第一次是以胡克和牛頓為代表，但此時(shí)的牛頓和胡克都沒有形成完整的理論，因此波動(dòng)說和微粒說之間的論戰(zhàn)并沒有完全展開.但科學(xué)上的爭論就是這樣，一旦產(chǎn)生便要尋個(gè)水落石出，此后就有了兩種學(xué)說的三次爭鋒.光波動(dòng)說和微粒說的第二次交鋒是在惠更斯和牛頓中展開的，此時(shí)惠更斯發(fā)表了他的著作光論，在此書中他系統(tǒng)的闡述了光的波動(dòng)理論；與此同時(shí)，牛頓的微粒學(xué)說也逐步建立起來了.牛頓修改和完善了他的光學(xué)著作光學(xué).他把他的物質(zhì)微粒觀推廣到整個(gè)自然界，并與他的質(zhì)點(diǎn)力學(xué)體系融為一體，為微粒學(xué)說找到了堅(jiān)強(qiáng)的后盾.遺憾的是牛頓的光學(xué)正式公開發(fā)行時(shí)，胡克與惠更斯一相繼去世，加上牛頓