1、光波动学说的兴起1光波动学说的兴起摘 要：光的世界，五彩缤纷.人类对光的认识经历了由现象到本质、由简单到复杂、由个别知识积累到形成光学知识结构等一系列循序渐进、螺旋上升的过程.在不同时代，光学有着不同发展周期和知识结构，随着人类对自然知识的探索和科学技术的发展，光学知识结构也不断更新和完善，人们对光的认识也在不断变化着.本文研究光波动学说从萌芽到兴起的过程，有益于加深人们对光的本性认识，对我们形成科学思维能力也有很大的帮助.关键字： 光 光波动说 光粒子说 兴起The rise of wave theory of lightAbstract ：Light of the world, is co
2、lorful. Mankinds 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 cyc
3、le and the knowledge structure, with the nature of human knowledge, and science and technology in the development of optical knowledge structure update and improve, peoples understanding of light changing. In this paper, from the embryonic to the rise of wave theory of light of process beneficial to
4、 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光波动学说的兴起2目 录1 人类早期对光的认识和研究 .42 光波动学说的萌芽时期 .43 光微粒说和光波动说并存的时期 .53.1 光微粒说与波动说的思想渊源 .53.2 微粒说和波动说的对立 .63.3 微粒说先占统治地位 .84 光波动说的复兴及其与
5、微粒说的最终较量 .84.1 托马斯杨的对波动说的研究和贡献 .84.2 菲涅尔与泊松亮斑 .104.3 光波动说的胜利 .125 光波动学说的兴起和稳固 .136 对科学家探索出光波动说过程的总结和致敬 .14光波动学说的兴起31 人类早期对光的认识和研究古代人对于光现象的记载和研究是和日常生活、观察天象、占星问卜等同时开始的，因此光学的起源也和力学、热学一样，可以追溯到二、三千年前.我国的墨经就记载了许多光学现象，例如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等等.西方也很早就有光学知识的记载，欧几里得（Euclid，公元前约330275）的反射光学 （Catoptrica）研究了光的反射，阿
6、拉伯学者阿勒 哈增（Al-Hazen ，9651038）写过一部光学全书 ，讨论了许多光学现象.由于光的物理本性不象力的本性那样比较容易为人们认识，因此古代光学基本上停留在对几何光学现象的描述与总结上，作为一门科学，发展比较缓慢从光学器具看，中国的青铜镜早就应用，而玻璃和珐琅在埃及、希腊、罗马发现较早柏拉图学园（ 428348 BC ）的教学内容中就已有光的直进和反射角与人射角相等的内容（反射定律的发明者已不可考） 欧几里得（ Euclid，约 330275 BC ）在光学一书中说：“我们假想光是直线进行的，在线与线之间还留出一些空隙光，光线自物体到人眼成为一个锥体，锥顶就在人眼，锥底在物体只
7、有被光线碰到的东西，才能为我们看见 ”这就是“流出论”的根据但原子论者则主张一切感觉都是从物体发出的物质流引起的亚里士多德介于二者之间，主张“视觉是在眼睛和可见物体之间的中介者运动的结果” 总体看来，人类早期不乏对光的一些正确认识，但整体上并没有形成一个理性的科学体系.2 光波动学说的萌芽时期17世纪中期，已经发明并且制造了望远镜、显微镜等光学仪器，发现了光的直线传播规律，光的独立传播定律，光的反射和折射定律，费马原理等规律，人们已认识了光的几何性质，初步建立了几何光学知识的基本结构.与此同时，人们又发现了一些违背几何光学知识的现象.意大利的格里马尔迪（F.M.Grimaldi，公元16181
8、663）通过观察放在光书中小棍子的影子发现衍射现象和双光干涉.1669年，丹麦科学家巴塞林(公元16251698)发现光的双折射，这些现象的发现在光学发展史上具有重大意义，因为当时已有的几何光学知识解释这些现象遇到了极光波动学说的兴起4大地困难，它迫使人们对光的行为和本性进行新的认识.格里马尔迪为了解释衍射及双光干涉现象，假定光是以极快速度传播、能够作波浪式动作的流体.英国物理学家胡克（HooK Robert，公元 16351703）主张光是一种振动.他指出：在均匀媒质中，光的振动“在各个方向上都以相等速度传播，于是发光体的每一脉冲和振动都必须形成一个球面，这个球面将不断扩大，如同投石于水中引
9、起的越来越大的球状波一样.”荷兰物理学家惠更斯是波动说的创立者，他在 1678 年论光中明确指出：“光同声音一样，是以球面波传播的.这种波，同石子投在平静的水面上所形成的波是相似的.”他提出惠更斯原理，形成了比较完整的惠更斯波动理论. 惠更斯波动理论很好的解释了反射折射以及双折射现象，同时解释干涉和衍射现象也获得了一定的成功.但是由于时代的限制，惠更斯波动学说有很大的缺陷.在惠更斯时代，人们只知道纵波，因此这种理论不能解释偏振现象.此外，由于 17、18 世纪经典力学已经建立并取得很大的成就，人们总想着用经典力学的概念描述并解释光学现象，因而光的波动学说没有被立即承认，直到一百多年后，到 19
10、 世纪初，由于托马斯杨（T.Young 公元17731829）和菲涅尔（A.Fresne 公元 17881827）等人的工作才使光的波动说重新兴旺并向前发展.3 光微粒说和光波动说并存的时期3.1 光微粒说与波动说的思想渊源关于对光的本性这一古老之谜的认识要追溯到古希腊时代.古希腊杰出的原子论者德漠克利特（Democritus，公元前 460 一前 370）最早提出光是物质微粒的观点.他认为视觉是由物体射出的微粒进入眼睛而引起的.古希腊的男一个原子论者伊壁鸠鲁（Epicurus，公元前 341 一前 270）和古罗马的原子论者卢克来修（Lucretius，公元前 99 一前 55）坚持这一学说
11、.卢克来修说： “从任何我们看见的东西，必定永远有许多原初物体流出来，被发放出来；被散布到四周各处，这些物体撞击眼睛，引起了视觉.”量子论者的这一观点是后来把光看作某种物质实体的粒子说的萌芽.古希腊杰出的思想家亚里士多德（Aristotle，公元前 384 一前光波动学说的兴起5322）认为，视觉是在眼睛和可见物体之间的中间介质运动的结果.他认为这种中间介质有让光通过的可能性（潜在能力） ，即是透明的，光则把这种可能性变为现实。所以，没有中间介质就没有视觉.在这个理论中包含着后来的光的波动说的思想.学发展到了 17 世纪，法国哲学家、物理学家、数学家笛卡儿（Rene Descartes，159
12、61650）提出了对光的本性的看法.英籍德国物理学家玻恩（Max Born，18821970）和美国物理学家沃耳夫（EmilWolf，1922 一）在他们的光学原理的历史引言中说：“在新哲学的创立者当中，笛卡儿可以提出来说一说，因为他根据他的形而上学观念系统地陈述了关于光的本性的见解.笛卡儿认为，光在本质上是一种压力，在一种完全弹性的，充满一切空间的介质（以太）之中传递，他并且把颜色的差异归因于这个介质中粒子的不同速度的旋转运动.”笛卡儿对光的本性没有明确而统一的观点.他在他的著作光的折射中提出了一个比喻：光通过介质传入人眼，就象机械脉冲沿着手杖传入盲人的手和脑中一样，并没有某种物质性的东西传
13、入眼睛使我们看到光和色.笛卡尔在这里强调了介质的影响和接触作用，认为光是以太介质中某种压力的传播过程，所以可以把他算作波动论者.但是同时笛卡儿又从光的微粒观念中推导出反射定律与折射定律.3.2 微粒说和波动说的对立英国物理学家、天文学家胡克在他 1665 年发表的放大镜下微小物体的显微术或某些生理学的描述 （以下简称显微术一书中，明确主张光是一种振动. 同时他还提出这种振动必定是短促的.在讨论了光的直线传播和光速是有限的之后，他写道：“在一种均匀介质中这一运动在各个方向都以相等的速度传播.所以发光体的每一个脉动或振动都必将形成一个球面.这个球面将不断地增大，就如同把一石块投入水中后在水面一点周
14、围的环状波膨胀为越来越大的圆圈一样（尽管肯定要快得多）.由此可知，在均匀介质中扰动起来的这些球面的一切部分与射线交成直角.”可见，胡克实际上已接触到波前或波面的概念.而经典物理学的奠基者牛顿基本上是主张微粒说. 他根据光的直线传播性质，提出光是微粒流的理论.他认为这些微粒从光源飞出来，在真空式均匀物质内由于惯性而作匀光波动学说的兴起6速直线运动.早在 1672 年 2 月 6 日牛顿送交英国皇家学会的一封信“关于光和色的新理论”中，就提出了光的微粒说，这是牛顿提交给皇家学会 的第一篇论文 ,也正是以这篇论文为起点 ,引发了牛顿的微粒说与惠更斯 ( Huo gens Christian , 16
15、29 1695)、胡克的波动说之间的长达 300 年的论战 .牛顿认为光线可能是由球形的物体所组成，并用这种观念解释了光的直线传播和光的反射折射定律.“牛顿环”现象是牛顿的一项重要发现，从这一发现中他提出并确立了光的周期性.他在光学中详细地描述了这一实验现象.当他把一个平凸透镜放在一个双凸透镜上时，他观察到一系列明暗相间的同心圆环.压紧玻璃体，改变其间空气膜的厚度，又发现了条纹的移动.他还精确地测量了环的半径，发现环的半径的平方构成一个算术级数.这里最重要的是对光的周期性的发现.牛顿这样写着；“有时我一连数了三十多次周期性变化的序列，在每一个序列中都包括一明一暗的环，但是由于它们太窄无法数清楚
16、.”牛顿的精确观察，本来是光的波动性的证明.他的测量也为确定各种色光的波长提供了根据，但是他并未由此走向波动说，而是用他的光的微粒和以太振动相结合的新观点，解释了他发现的牛顿环现象.胡克与牛顿争论时，提出不少问题，特别是微粒说所不能解释的一些事例.为了回答胡克提出的问题，牛顿又进一步研究，想办法如何来完善自己的假说和理论.由于牛顿对振动和波动过程有一个严格的了解并有一个严整的数学原理，所以他在与胡克争论过程中，认为在自己的关于光的粒子结构的理论中，作出的结论是正确的，但是他也表明作出这个结论并没有绝对肯定，所以只能用两个字来表示：“可能” 。进而认为这个结论在极端的情况下，仅是自己学说的大概的
17、结果，而不是它的基本前提. 坚持光的波动说，并想建立理论来解释它的是荷兰物理学家惠更斯（Chsistisll Huygells， 16291695）. 惠更斯于 1678 年向法国科学院提交了光论这本著作，该书于 1690 年出版. 惠更斯以下列论据来驳斥牛顿的微粒说，他写道：“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至是完全相反的地方发出时，光射线在传播中，一条光线穿过另一条光线而相互毫不影响，就能完全明白这一点：当我们看到发光的物体时，决不可能是由于光波动学说的兴起7从它所发出的物质，象穿过空气的子弹和箭一样，通过物质迁移引起的.”惠更斯在批评微粒说时，提出了他的波
18、动说.他认为光是由发光体的微小粒子的振动在充满于宇宙空间的介质“以太”中的一种传播过程，光的传播方式象声音的传播方式一样.3.3 微粒说先占统治地位17 世纪，光的波动理论处于萌芽阶段。笛卡儿认为光是一种压力，胡克却说光是介质中的迅速颤动（脉冲） ，这个波动说经过惠更斯的加工，得到了进一步的发挥，但仍然是很粗略的.他没有指出光现象的周期性，没有提到波长的概念，更没有确立相位的概念.他认为光波是纵波，不能解释偏振效应.虽然当时已发现了干涉现象、衍射现象,但是波动论在对这些现象的解释上软弱无力. 相比 之 下,18 世 纪 法 国 牛 顿 学 派 全 面 发 展 了 牛 顿 力学 ,把牛顿力学建
19、造 成 为 了 一 个 非 常壮 丽 而 完 善 的体 系 ,光的 微 粒 说 正 好 包 括 在 这 个 完 美 体 系 之 中.比 起牛顿的微粒 说 来 ,早 期 波 动 说 更 缺 乏 数 学 的 完美性 ,加之由于人们对权威的崇拜 ,也由于当时波动说 还不完善 ,因而 到 了 18 世 纪 后 期, 大 部 分 人 都 接受了光的微粒说,而基本放弃了光的波动观点 .使得微粒说在光学中占统治地位达一个世纪之久.4 光波动说的复兴及其与微粒说的最终较量在牛顿 1704 年出版光学一书以后，差不多相隔整整一个世纪（光学包括对光的本性的认识）进展不大，过去都把这一切归罪于牛顿的威望.到了十九世
20、纪光学的发展才有所突破，特别是物理光学的发展得到了长足的进步，开始了波动光学的英雄时期；这一时期从 1800 年一直持续到十九世纪三十年代，而这一发展主要发生在英国和法国，其代表人物是托马斯杨和菲涅耳.4.1 托马斯 杨的对波动说的研究和贡献19 世纪的光学是由英国医生托马斯杨以复兴波动说的论文揭开序幕的. 杨的光学研究始自对视觉器官的研究.他第一个发现，眼球在注视距离不同的物体时光波动学说的兴起8改变形状. 他证明眼睛适应不同距离的物体是靠改变眼球水晶体的曲度.他设想眼网膜有几种不同结构分别感受红、绿、紫的光线，并以此说明颜色的感觉和色盲现象. 托马斯杨继续在爱丁堡、剑桥以及最后在德国的哥廷
21、根从事医学研究，在德国他看出有理由恢复光的波动学说.他在哥廷根的博士论文里，提出一个关于声音和人的语言的论题.在这个题目下，他联系自己早期的光学研究，提出声和光都是波的振动，颜色和不同频率的音是一样的.人们都公认声音是沿着声音传播的方向的空气中的波动，而托马斯杨假定光也是一种到处渗透的发光以太中类似的纵向振动，正如惠更斯在他以前所主张的那样.他指出一个弱的光源发出的光和一个强的光源发出的光，走得同样快，这一事实用光的波动说来解释要比用光的微粒说来解释容易.人都熟知两道声波或者水波可以相互干预，所以托马斯杨就作了一项实验使两道光线互相重迭和干预，从而产生交替的黑白条纹，说明一道光线可以加强或者抵
22、消另一道光线.根据波段的间距和仪器的大小，他可以算出光波振动的波长，得到波长约为一米的百万分之一.由于光的振动波长比照见的物体的尺寸小得多，所以他指出光将沿直线走动，并能投出清晰的影子.他知道光线确能在某种程度上绕过不透明物体的边缘，产生边缘带颜色的影子和相互干扰的效果，这些在十七世纪都曾经为格里马第和其他人研究过，托马斯杨举出这些现象作为事例以证实光的波动说.在完成了用光的振动说解释当时知道的光学现象之后，托马斯杨和武拉斯顿证实了惠更斯在冰洲石晶体中所看到的双折射现象的分析是正确的.1800 年，杨发表了关于光和声的实验和问题一文，对延续了一个世纪的微粒说提出异议.他说：“尽管我仰慕牛顿的大
23、名，但我并不因此非得认为他是万无一失的.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.”在文章的光学部分，杨提出了否定微粒说的几个理由：第一，强光和弱光源所发出的光线有同样的速度，这用微粒说不好解释；第二，光线由一种介质进人另一种介质时，一部分被反射，而另一部分被折射，用微粒说解释也很牵强.在文章的声学部分，杨依据水波的叠加现象，提出了声波的叠加理论.他把由叠加造成的声音的加强和减弱称为“干涉”.在声波干涉中， “拍”现象即叠加造成的声音时断时强的效果，引起了杨的特别注意.他联想到，如果光是一种波动，也应该有干涉和拍现象，即两种光波叠加时，应该出现明暗相间的条纹.为了验证他的
24、原理，光波动学说的兴起9他做了著名的杨氏双缝干涉实验.他用强太阳光照射在开有小孔的 S 的不透明遮光板上，通过小孔的光作为点光源，在点光源后面放置另一块开有两个很靠近的小孔的不透明遮光板，并用白布屏接收透过两个小孔投射的光，结果在屏上显示出在两束光交叠区出现一系列亮暗相间的条纹.1801 年，杨向皇家学会宣读了关于薄片颜色的论文.文中正式将干涉原理引人了光学之中，并且用这一原理解释薄片上的色彩和条纹面的衍射.在这篇论文中，杨还系统提出了波动光学的基本原理，提出了光波长的概念，井给出了测定结果.杨指出，正是由于光波长太短，以致遇障碍物拐弯能力不大，人们才很难观察到这类现象. 杨的论文在英国学界引
25、起了敌视.当然，他的论文在阐述实验方面不够明晰.尽管他本人实际上做过十分精确的实验，但由于表述的问题使读者感到干涉理论只是一些没有实验根据的理论推测.杨没有气馁，继续进行实验研究，于1803 年发表物理光学的实验和计算 ，对双缝干涉现象进一步做出了解释.在 1807 年出版的自然哲学讲义中，杨系统阐述了他提出的波动光学的基本原理.1809 年，法国物理学家马吕斯（17751812）发现了光在双折射时的偏振现象.众所周知，纵波不可能出现偏振现象，这使杨新近复兴的波动说遇到了极大的困难。微粒说的信奉者以此对波动说发起攻击.杨于 1811 年给马吕斯写信说：“你的实验证明了我所采用的理论的不足，但是
26、这些实验并没有证明它是错的”.1817 年，杨终于发现了摆脱这个麻烦的途径.他在 1 月 12 日给法国物理学家阿拉果的信中说，光波不是一种纵波，而是一种横波，而偏振完全可以用横波加以解释.托马斯杨为光波动说的复兴作出了开创性的工作.4.2 菲涅尔与泊松亮斑法国著名物理学家菲涅耳是光的波动学说的先驱，他以高超的实验技巧和杰出的数学才能，建立了光的衍射实验和理论，从而稳固地确立了波动学说在物理学史上的地位光波动学说的兴起101814 年，菲涅耳开始致力于光的本性的研究，他再次重现了托 马斯 杨在1801 年建立的光的双缝干涉实验并用惠更斯子波原理对这一现象做出了完美的解释与此同时，他开始研究小孔
27、衍射的问题1816 年他向科学院提交了第一篇光学论文.文中仔细地研究了光的衍射现象,并提出了光的干涉原理.菲涅尔的论文实验证据确凿，很快在法国物理学界获得支持.本来信奉微粒说的阿拉果，在受命审查菲涅尔的论文之后，第一个改信波动说.菲涅尔与阿拉果一起继续进行实验研究,于 1819 年证实了杨关于光是一种横波的主张.1818 年，菲涅耳只有 30 岁，还是个不知名的学者，他毅然地参加了科学院举行的悬奖竞赛并提交了他的论文.这篇论文的基本理论和 1816 年那篇大体相同，但提出了更有力的分析和计算，比 1816 年的论文有重要的创新.菲涅耳的理论完全是建立在波动概念的基础上，他将惠更斯原理同干涉原理
28、结合在一起.他认为，波前上每一点都是次波的波源，所有那些次波的叠加决定了屏上任意一点的光强.在这里，菲涅耳使用了干涉原理并考虑到位相关系，但在两个关键问题上和托马斯杨有明显的不同.其一、托马斯杨仅仅涉及到沿特殊光路传播的两束光的干涉，而菲涅耳则考虑到波前上所有点作用的结果.其二、托马斯杨只讨论了同相和反相两种特殊情况的波的干涉，菲涅耳的解释则对任意的位相关系都适用.菲涅耳精通数学，因此有条件在光学的数学理论方面做出特殊的贡献.在论文中，他讨论了几种情况的衍射，即衍射体分别为一个单缝、一个窄而不透光的物体和一个很长的直边.在衍射体和观察屏相对光源位置一定的条件下，菲涅耳通过积分（现在称为菲涅耳积分） ，计算衍射体的几何影外任意一点的光强和几何影边缘以及阴影区的光强.各种不同的衍射情况通过积分的不同限制表示出来，其定积分的结果提供了变化光强的表达式.著名的菲涅耳积分构成了他建立在波动理论基础上的严密的数学推理，推出的结果和实验非常一致.菲涅耳从这个观点出发，严格地把所有的衍射现象统一起来，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.组成这次评奖委员会的委员都是当时法国科学界的著名学者，有拉普拉斯、毕奥、泊松（SDPoisson） 、阿拉戈和盖吕萨克（GayLussac）.后者是中立派，阿拉戈是波动论者，前三位都是光的微粒论的积极支持者.悬奖征文竞赛
