閑談光的波粒之爭(zhēng)

漫談光發(fā)展中的恩怨糾葛Tobeornottobe:thatisthequestion光成像在古希臘時(shí)代，人們猜想，光是一種從我們的眼睛中發(fā)射出去的東西，當(dāng)它到達(dá)某樣事物的時(shí)候，這樣事物就被我們所“看見”。柏拉圖認(rèn)為有三種不同的光，分別來(lái)源于眼睛、被看到的物體、光源本身，而視覺是三者綜合作用的結(jié)果2光成像盧克萊修（物性論）：光是從光源直接到達(dá)人眼的，但始終不為人們接收。伊斯蘭的阿爾.哈桑：我們之所以能夠看到物體，知識(shí)由于光從物體上反射進(jìn)我們眼睛中的結(jié)果。3盧克萊修阿爾.哈桑羅杰爾.培根光的運(yùn)動(dòng)4歐幾里德--光的反射開普勒—光的折射涅耳—光的折射定律費(fèi)馬“光總是走最短的路線”，光學(xué)作為一門物理學(xué)被正式確立起來(lái)微粒說(shuō)微粒說(shuō)：光是由一粒粒非常小的“光原子”所組成的。

（這種觀點(diǎn)一方面十分符合當(dāng)時(shí)流行的元素說(shuō)，另外一方面，古代的人們除了粒子之外對(duì)別的物質(zhì)形式也了解得不是太多）

5微粒說(shuō)微粒說(shuō)：光是由一粒粒非常小的“光原子”所組成的。

（這種觀點(diǎn)一方面十分符合當(dāng)時(shí)流行的元素說(shuō)，另外一方面，古代的人們除了粒子之外對(duì)別的物質(zhì)形式也了解得不是太多）

能用來(lái)解釋的問題（1）為什么光總是沿著直線前進(jìn)，（2）為什么會(huì)嚴(yán)格而經(jīng)典的反射，（3）折射現(xiàn)象（可以由粒子流在不同介質(zhì)里的速度變化而得到解釋）顯而易見的困難（1）兩道光相互碰撞的時(shí)候不會(huì)相互彈開，（2）這些細(xì)小的光粒子在燈亮之前隱藏在何處，（3）光粒子的數(shù)量是不是無(wú)限多6波動(dòng)說(shuō)7笛卡兒格里馬第在他《方法論》的三個(gè)附錄之一《折光學(xué)》中率

先提出了這樣的可能：光是一種壓力，在媒質(zhì)里傳播。

意大利的一位數(shù)學(xué)教授格里馬第（FrancescoMariaGrimaldi）做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他讓一束光穿過(guò)兩個(gè)小孔后照到暗室里的屏幕上，發(fā)現(xiàn)在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格里馬第馬上聯(lián)想

起了水波的衍射，于是提出：光可能是一種類似水波的波動(dòng)，這就是最早的光波動(dòng)說(shuō)。

波動(dòng)說(shuō)波動(dòng)說(shuō)：光不是一種物質(zhì)粒子，而是由于介質(zhì)的振動(dòng)而產(chǎn)生的一種波。8波動(dòng)說(shuō)波動(dòng)說(shuō)：光不是一種物質(zhì)粒子，而是由于介質(zhì)的振動(dòng)而產(chǎn)生的一種波。9容易解釋（1）投影里的明暗條紋（2）直線傳播和反射（光的波長(zhǎng)是極短的，在大多數(shù)情況下，光的行為猶同經(jīng)典粒子一樣）基本的難題：既然波本身是介質(zhì)的振動(dòng)，那它必須在某種介質(zhì)中才能夠傳遞。而光則不然，它似乎不需要任何媒介就可以任意地前進(jìn)。

波動(dòng)說(shuō)但是波動(dòng)說(shuō)巧妙地?cái)[脫了這個(gè)難題：它假設(shè)了一種看不見摸不著的介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)光的傳播，這種介質(zhì)有一個(gè)十分響亮而讓人印象深刻的名字，叫做“以太”（Aether）。波動(dòng)說(shuō)作為一種新興的理論，迅速發(fā)展與微粒平分秋色，格里馬第的光衍射實(shí)驗(yàn)是最好的說(shuō)明。但它卻拖著一個(gè)沉重的包袱----以太的假設(shè)，這個(gè)憑空想象出來(lái)的媒介。10第一次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)11

導(dǎo)火索：在1663年提出的一個(gè)理論——我們看到的各種顏色，其實(shí)并不是物體本身的屬性，而是光照上去才產(chǎn)生的效果。從而對(duì)顏色屬性的激烈爭(zhēng)論。波義耳格里馬第認(rèn)為：顏色的不同是因?yàn)楣獠l率的不同引起的。羅伯特·胡克：觀察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通過(guò)薄云母片而產(chǎn)生的光輝。根據(jù)他的判斷,光必定是某種快速的脈沖,于是他在1665年出版的《顯微術(shù)》（Micrographia）一書中明確地支持波動(dòng)說(shuō)。

12羅伯特·胡克《顯微術(shù)》是一本劃時(shí)代的偉大著作，它很快為胡克贏得了世界性的學(xué)術(shù)聲譽(yù)，波動(dòng)說(shuō)由于這位大將的加入，似乎也在一時(shí)占了上風(fēng)。

第一次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)第一次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)13

在1666年，牛頓在家休假期間用三棱鏡進(jìn)行了著名的色散試驗(yàn)。(1)由此發(fā)現(xiàn)了白光是由各種不同顏色的光組成的。(2)牛頓又設(shè)法將幾種不同的單色光合成白光，并且計(jì)算出不同顏色光的折射率，結(jié)論：物質(zhì)的色彩是不同顏色的光在物體上有不同的反射率和折射率造成的。公元1672年，牛頓把自己的研究成果發(fā)表在《皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)雜志》上艾薩克·牛頓光的色散第一次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)然而牛頓的理論里，光的復(fù)合和分解被比喻成不同顏色微粒的混合和分開。他的文章被交給一個(gè)三人評(píng)議會(huì)審閱，胡克和波義耳正是這個(gè)評(píng)議會(huì)的成員，胡克對(duì)此觀點(diǎn)進(jìn)行了激烈的抨擊。胡克：牛頓論文中正確的部分（也就是色彩的復(fù)合）是竊取了他1665年的思想，而牛頓“原創(chuàng)”的微粒說(shuō)則不值一提，僅僅是“假說(shuō)”而已。

14這個(gè)批評(píng)雖然不能說(shuō)是全無(wú)道理，但很可能只是胡克想給牛頓來(lái)一個(gè)下馬威。作為當(dāng)時(shí)在光學(xué)和儀器方面獨(dú)一無(wú)二的權(quán)威，胡克顯然沒把牛頓這個(gè)毛頭小伙放在眼里，他后來(lái)承認(rèn)說(shuō)，自己只花了3－4小時(shí)來(lái)閱讀牛頓的文章。

第一次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)牛頓大概有生以來(lái)都沒見過(guò)這樣直截了當(dāng)?shù)呐u(píng)，他勃然大怒。

在R.S.Westfall那本名揚(yáng)四海的牛頓傳記《NeveratRest》中描述道：“牛頓實(shí)際上用胡克的名字串起了一首疊句詩(shī)”。（花了整整4個(gè)月時(shí)間寫了一篇洋洋灑灑的長(zhǎng)文，在每一點(diǎn)上都進(jìn)行了反駁。胡克慘遭炮轟，他的名字出現(xiàn)在第一句里，出現(xiàn)在最后一句里，在中間更出現(xiàn)了25次以上）15第一次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)就這樣，胡克大言不慚在前，牛頓惡語(yǔ)相譏于后，兩個(gè)人都格外敏感且心胸狹窄，最終不可避免地成為畢生的死敵。

牛頓的狂怒并沒有就此平息，他對(duì)每一個(gè)批評(píng)都報(bào)以挑釁性的回復(fù)，包括用詞謹(jǐn)慎的惠更斯在內(nèi)。他撤回了所有原本準(zhǔn)備在皇家學(xué)會(huì)發(fā)表的文章，到了1673年3月，他甚至在一封信里威脅說(shuō)準(zhǔn)備退出學(xué)會(huì)。

16第一次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)其實(shí)在此之前，牛頓的觀點(diǎn)還是在微粒和波動(dòng)之間有所搖擺的，并沒有完全否認(rèn)波動(dòng)說(shuō)。在牛頓最初的理論中，微粒只是一個(gè)臨時(shí)的方便假設(shè)而已，根本不是主要論點(diǎn)

即使在胡克最初的批評(píng)之后，牛頓還是作出了一定的妥協(xié)，給波動(dòng)說(shuō)提出了一些非常重要的改進(jìn)意見。但在此之后，牛頓與胡克的關(guān)系進(jìn)一步惡化，他最終開始一面倒地支持微粒說(shuō)。

17第一次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)一方面因?yàn)楹说拿麣猓硪环矫嬉惨驗(yàn)榕ｎD的注意力更多地轉(zhuǎn)移到了別的方面，牛頓當(dāng)時(shí)仍然沒有正式地全面論證微粒說(shuō)（只是在幾篇論文中反駁了胡克）。而胡克被牛頓激烈的言辭嚇了一跳，也暫且鳴金收兵。

18荷蘭物理學(xué)家惠更斯（ChristiaanHuygens）登上舞臺(tái)，他繼承了胡克的思想，認(rèn)為光是一種在以太里傳播的縱波，成功地證明和推導(dǎo)了光的反射和折射定律。成為了波動(dòng)說(shuō)的主將。1690年，惠更斯的著作《光論》（TraitedelaLumiere）出版，標(biāo)志著波動(dòng)說(shuō)在這個(gè)階段到達(dá)了一個(gè)興盛的頂點(diǎn)。

ChristiaanHuygens第一次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)接著胡克于1703年眾叛親離地死去，第二年，也就是1704年，牛頓終于出版了他的煌煌巨著《光學(xué)》。牛頓在介紹中寫道：“為了避免在這些事情上引起爭(zhēng)論，我推遲了這本書的付梓時(shí)間。而且要不是朋友們一再要求，還將繼續(xù)推遲下去?！薄豆鈱W(xué)》是一本劃時(shí)代的作品，幾乎可以與《原理》并列的偉大杰作，在之后整整100年內(nèi)，它都被奉為不可動(dòng)搖的金科玉律。第一次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)就這樣以波動(dòng)的慘敗而告終，戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)果是微粒說(shuō)牢牢占據(jù)了物理界的主流。

19閑話：牛頓與胡克胡克和牛頓在歷史上也算是一對(duì)歡喜冤家。除了關(guān)于光本性的爭(zhēng)論之外，他們之間還有一個(gè)爭(zhēng)執(zhí)，那就是萬(wàn)有引力的平方反比定律（ISL）究竟是誰(shuí)發(fā)明的問題。牛頓：他竟然把引力看成不隨距離而變化的常量，并認(rèn)為物體下落是一個(gè)圓螺線。胡克：糾正了他的錯(cuò)誤，并在年份1月6日的信中假設(shè)引力大小是與距離的平方成反比的。胡克把牛頓的錯(cuò)誤捅到了皇家學(xué)會(huì)那里，這使得牛頓極為光火，新仇舊恨，成為終生的對(duì)手。

20閑話：牛頓與胡克《原理》發(fā)表后，胡克要求牛頓承認(rèn)他對(duì)于平方反比定律發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)，在前言里提及一下。牛頓再次狂怒：他暴跳如雷，從《原理》里面刪掉了絕大多數(shù)有關(guān)胡克的引用，剩下不多的，用詞也從“非常尊敬的胡克先生”變成了簡(jiǎn)單的“胡克”兩個(gè)字。他是如此怒氣沖天，甚至拒絕出版《原理》第三卷。

21胡克的成就《顯微術(shù)》更是17世紀(jì)最偉大的著作之一。他是最杰出的建筑設(shè)計(jì)