物理學史44 光的微粒說和波動說

1、4.4光的微粒說和波動說什么是光？光的本性是什么？它由什么組成？每一位研究光學現(xiàn)象的物理 學家都必然會涉及這些問題。從折射定律和色散現(xiàn)象的研究也可看出這一點。笛卡兒主張波動說，他認為光本質(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，傳遞的速度無限大。但他卻又用小球的運動來解釋 光的反射和折射。牛頓傾向于微粒說，認為光可能是微粒流，這些微粒從光源飛 出，在真空或均勻媒質(zhì)中作慣性運動，但他在研究牛頓環(huán)時，卻認識到了光的周 期性，使他把微粒說和以太振動的思想結(jié)合起來，對干涉條紋作出了自己的解釋。 可見，不論是笛卡兒還是牛頓，都沒有對光的本性作出肯定的判斷。4.4.1早期的波動說胡

2、克明確主張光是一種振動，并根據(jù)云母片的薄膜干涉現(xiàn)象作出判斷，認為 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，這種運動在各個方向都以同一速度傳播，所以發(fā)光體的每 個脈沖或振動都必然會形成一個球面。這個球面不斷擴大，就如同把石塊投進水 中在水面一點周圍的波或環(huán)，膨脹為越來越大的圓環(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。”荷蘭物理學家惠更斯發(fā)展了胡克的思想。他進一步提出光是發(fā)光體中微小粒 子的振動在彌漫于宇宙空間的以太中的傳播過程。光的傳播方式與聲音類似，而 不是微粒說所設(shè)想的像子彈或箭那樣的運動。1678年

3、他向巴黎的法國科學院報 告了自己的論點（當時惠更斯正留居巴黎），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方向以極高的速度傳播，以及光線從不同的地點甚 全是完全相反的地方發(fā)出時，其射線在傳播中一條穿過另一條而互相毫無影響， 就完全可以明白：當我們看到發(fā)光的物體時，決不會是由于這個物體發(fā)出的物質(zhì) 遷移所引起，就象穿過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)。羅邁觀測到當?shù)厍蛐兄撂柡湍拘侵g時， 木衛(wèi)蝕提早78分鐘，而當?shù)厍蛐兄撂柕牧?/p>

4、一側(cè)時，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 計算出光速c=2X108米/秒。這個結(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 沿著一排互相銜接的鋼球傳遞一樣，當?shù)谝粋€球受到碰撞，碰撞運動就會以極快 的速度傳到最后一個球。圖4-12就是惠更斯自己畫的一幅示意圖。他認為，以 太波的傳播不是以太粒子本身的遠距離移動，而是振動的傳播。惠更斯接著寫道:“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（他認為是以太縱波），并進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，惠更斯運用子波和波陣面的概念，引進了一個重要原理，這就是著 名的惠更斯原理。他寫道“關(guān)于波的輻射，還要作進一步考慮，即傳遞波的每一個物質(zhì)粒子，僅將運 動傳給從發(fā)光點開始所畫直線上的下一個粒子，而且還要傳給與之接觸的并與其 運動相對抗的其他一切粒子。結(jié)果是，在每個粒子的周圍，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A發(fā)出的并以該點為中心的 波，則在球面DCF內(nèi)的一個粒子B，將產(chǎn)生自己獨有的波（按：即子波）KCL， 與這個波

6、在C點觸及波DCF的同時，從A點發(fā)出的主波也到達DCF。顯然，波KCL 與波DCF的唯一接觸點是在AB直線上，即C點。球面DCF內(nèi)的其他點bb、dd 等等也將類似地產(chǎn)生各自的波。每個這樣的波與波DCF相比雖然都無限微弱，但 所有這些波距A點最遠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。當他用方解石（也叫冰洲石）觀察物體時，注意到有雙像顯示。經(jīng)過 反復(fù)試驗，他確定是這種晶體對光有兩種折射：尋常折射

7、和非尋常折射。這是繼干涉、衍射之后發(fā)現(xiàn)的又一光學新現(xiàn)象。對于這種新現(xiàn)象，是否能作 出合理的解釋，自然是微粒理論和波動理論面臨的考驗?；莞乖诘弥腿旨{ 斯的發(fā)現(xiàn)后，立即重復(fù)進行了實驗。他證實了這一現(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，認為方解石等晶體的顆粒可能具有特殊形狀，以全光波 通過時，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。惠更斯發(fā)展了波動理論。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、波動理論也不能解釋干涉和衍射現(xiàn)象，因為那時還沒有建立 周期性和位相等概念。早期的波動理論缺乏數(shù)學基礎(chǔ)，還很不完善，而牛頓力學正節(jié)節(jié)勝利。以符 合力學規(guī)律的粒子行為來描述光學現(xiàn)象，被認為是唯一合理的理論，因此，直到 18世紀末，占統(tǒng)治地位的依然是微粒學說。4.4.2托馬斯楊的研究托馬斯楊（Thomas Young， 17731829）是英國人，從小聰慧過人，博覽 群書，多才多藝，17歲時就已精讀過牛頓的力學和光學著作。他是醫(yī)生，但對 物理學也有很深造詣，在學醫(yī)時，研究過眼睛的構(gòu)造和其光學特性。就是在涉及 眼睛接受不同顏色的光這一類問題時，對光的波動性有了進一步認識，導(dǎo)致他對 牛頓做過的光學實驗和

9、有關(guān)學說進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 說明干涉現(xiàn)象的插圖。他是這樣闡述他的干涉原理的：“當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 入人眼，則在光線的路程差是某一長度的整數(shù)倍處，光將最強，而在干涉區(qū)之間 的中間帶則最弱，這一長度對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 是他用實驗成功地演示干涉現(xiàn)象的關(guān)鍵。許多人想嘗試這類實驗往往都因用的是 兩個不同的光源而失敗。在1807年托馬斯楊的論文中描述了他的雙縫實驗，他寫道：“使一束單色光照

10、射一塊屏，屏上面開有兩個小洞或狹縫，可認為這兩個洞 或縫就是光的發(fā)散中心，光通過它們向各個方向繞射。在這種情況下，當新形成 的兩束光射到一個放置在它們前進方向上的屏上時，就會形成寬度近于相等的若 十條暗帶。圖形的中心則總是亮的。”“比較各次實驗，看來空氣中極紅端的波的寬度約為三萬六千分之一英寸， 而極紫端則為六萬分之一英寸。”所謂“波的寬度”，就是波長，這些結(jié)果與近代的精確值近似相等。雙縫干涉實驗為托馬斯楊的波動學說提供了很好的證據(jù)，這對長期與牛頓 的名字連在一起的微粒說是嚴重的挑戰(zhàn)。托馬斯楊說得好：“盡管我仰慕牛 頓的大名，但我并不因此非得認為他是百無一失的。我遺憾地看到他也會弄 錯，而他的

11、權(quán)威也許有時甚至阻礙了科學的進步?！惫唬旭R斯楊由于提出干涉原理而受到當時一些權(quán)威學者的圍攻，其中 有一位以牛頓學術(shù)權(quán)威自居的布勞安(HenryBrougham)攻擊得最為刻薄，說托 馬斯楊的文章“沒有任何價值”，“稱不上是實驗”，干涉原理是“荒唐”和“不合邏輯”的，等等。一二十年間，竟沒有人理解托馬斯楊的工作。據(jù)說， 托馬斯楊為回駁布勞安專門撰寫的論文竟無處發(fā)表，只好印成小冊子，小冊子 出版后，“只賣出了一本”。1809年，法國的馬呂斯(Etienne Louis Malus，17751812)發(fā)現(xiàn)偏振現(xiàn) 象，并認為找到了決定性的證據(jù)，證明光的波動理論與事實矛盾。然而，托馬斯楊 面對困難并

12、沒有動搖自己的科學信念，他寫信給馬呂斯說：“您的實驗證明了 我采用的理論(即干涉理論)有不足之處，但是這些實驗并沒有證明它是虛偽 的?！苯?jīng)過幾年的研究，托馬斯楊逐漸領(lǐng)悟到要用橫波的概念來代替縱波，而 這正是菲涅耳(Augustin Jean Fresnel， 1788一1827 )繼續(xù)發(fā)展波動理論的出 發(fā)點。4.4.3菲涅耳的貢獻菲涅耳是法國的一位工程師，對光學很感興趣，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，因此有條件在光學的數(shù)學理論方面作出特 殊的貢獻。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 動理論解釋偏振的線索，說：“用這個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，其粒子的運動是在相對于半徑的某個恒定的方向。這就是偏 振。” 1818年4月29日，托馬斯楊再次寫信給阿拉果，又提到偏振問題，他 把光比之于繩索的振動。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 可作為楊氏假說的極好佐證。阿拉果和菲涅耳合作研究光學多年，互相垂直的兩束偏振光的相十性是他們 共同研究的課題，就這個課題已進行了多次實驗，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。但是當菲涅耳指出，只有橫向 振動才有可能把這個事實納入波動理論時，阿拉果表示自己沒有勇氣

14、發(fā)表這類觀 點，于是論文的第二部分乃以菲涅耳一人的名義發(fā)表。阿拉果在光學方面作出了 許多貢獻，但在關(guān)鍵問題上卻令人遺憾地采取了暖昧態(tài)度。菲涅耳的光學研究和法國科學院1818年的懸獎?wù)魑幕顒佑幸恍┞?lián)系。這次 競賽的題目是：“利用精密的實驗確定光線的衍射效應(yīng)。根據(jù)實驗用數(shù)學歸納法推導(dǎo)出光線通過物體附近時的運動情況。”競賽的評獎委員會的本意是希望通過這次征文，鼓勵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。主持這項活動的著名科學家，例如：比奧 (J.B.Biot)、拉普拉斯和泊松(S.D.Poission)都是微粒說的積極擁護者。然而，出乎意料地是，不知名的學者菲涅耳（當時只有30歲）以

15、嚴密的數(shù) 學推理，從橫波觀點出發(fā)，圓滿地解釋了光的偏振，并用半波帶法定量地計算了 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)果與實驗符合得很好， 使評獎委員會大為驚訝。比奧嘆服菲涅耳的才能，寫道：“菲涅耳從這個觀點 出發(fā)，嚴格地把所有衍射現(xiàn)象歸于統(tǒng)一的觀點，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。”評獎委員泊松在審查菲涅耳的理論時，運用菲涅 耳的方程推導(dǎo)圓盤衍射，得到了一個令人稀奇的結(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，如圖4-16。泊松認為這是荒謬的，在影子的中心怎 么可能出現(xiàn)亮點呢？于是就聲稱這個理論已被駁倒。在這個關(guān)鍵時刻，阿拉果向 菲涅耳伸出了友

16、誼之手，他用實驗對泊松提出的問題進行了檢驗。實驗非常精彩 地證實了菲涅耳理論的結(jié)論，影子中心果然出現(xiàn)了一個亮點。這一事實轟動了巴 黎的法國科學院。菲涅耳于是就榮獲了這一屆的科學獎，而后人卻戲劇性地稱這個亮點為泊松 亮點。菲涅耳開創(chuàng)了光學研究的新階段。他發(fā)展了惠更斯和托馬斯楊的波動理論， 成為“物理光學的締造者”。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