1、对 光 的 认 识对 于 光 ， 我 们 既 感 到 熟 悉 又 陌 生 。 在 于 我 来 说 ， 我 对 光 的 认 识 比 较 深 刻 的 有 两 方 面： 光 的 色 散 和 光 的 性 质 。一 、 对 光 的 色 散 的 认 识 。人 们 常 认 为 光 是 没 有 颜 色 的 。 但 是 ， 很 多 事 实 告 诉 我 们 ， 其 实 光 也 有 着 绚 丽 多 彩 的颜 色 。 例 如 ， 彩 虹 ， 夏 天 雨 后 ， 在 朝 着 太 阳 那 一 边 的 天 空 上 ， 常 常 会 出 现 彩 色 的 圆 弧； 又 如 ， 极 光 ， 一 种 大 自 然 天 文 奇 观 ，
2、发 生 只 有 在 严 寒 的 秋 冬 夜 晚 的 高 纬 度 的 地 区 等 等 的 例 子 告 诉 我 们 ， 其 实 ， 光 也 有 它 美 丽 的 颜 色 。形 成 彩 虹 的 原 因 就 是 下 雨 以 后 ， 天 上 悬 浮 着 很 多 极 小 的 水 滴 ， 太 阳 光 沿 着 一 定 角 度射 入 ， 这 些 小 水 滴 就 发 生 了 色 散 ， 朝 着 小 水 滴 看 过 去 ， 就 会 出 现 彩 色 的 虹 。 虹 的 颜 色是 红 色 在 外 ， 紫 色 在 内 ， 依 次 排 列 ； 北 光 ， 极 光 是 原 子 与 分 子 在 地 球 大 气 层 最 上 层 (
3、距 离 地 面 100-200 公 里 处 的 高 空 )运 作 激 发 的 光 学 现 象 。 由 于 太 阳 的 激 烈 活 动 ， 放 射 出无 数 的 带 电 微 粒 ， 当 带 电 微 粒 流 射 向 地 球 进 入 地 球 磁 场 的 作 用 范 围 时 ， 受 地 球 磁 场 的影 响 ， 便 沿 着 地 球 磁 力 线 高 速 进 入 到 南 北 磁 极 附 近 的 高 层 大 气 中 ， 与 氧 原 子 、 氮 分 子等 质 点 碰 撞 ， 因 而 产 生 了 “电 磁 风 暴 ”和 “可 见 光 ”的 现 象 ， 就 成 了 众 所 瞩 目 的 “极 光 ”。 他没 有 固
4、 定 的 型 态 、 颜 色 也 不 尽 相 同 ， 颜 色 以 绿 、 白 、 黄 、 蓝 居 多 ， 偶 尔 也 会 呈 现 艳 丽的 洪 紫 色 ， 曼 妙 多 姿 又 神 秘 难 测 。 但 到 底 光 有 什 么 颜 色 呢 ？通 常 ， 我 们 所 见 到 的 白 光 ， 其 实 是 由 由 红 、 橙 、 黄 、 绿 、 蓝 、 靛 、 紫 等 各 种 色 光组 成 的 ， 由 单 色 光 混 合 而 成 的 光 叫 做 复 色 光 。 不 能 再 分 解 的 色 光 叫 做 单 色 光 。 复 色 光分 解 为 单 色 光 的 现 象 叫 光 的 色 散 它 表 现 为 复 色
5、 光 分 解 为 单 色 光 而 形 成 光 谱 的 现 象 。色 散 可 以 利 用 棱 镜 或 光 栅 等 作 为 “色 散 系 统 ”的 仪 器 来 实 现 。 复 色 光 进 入 棱 镜 后 ， 由 于它 对 各 种 频 率 的 光 具 有 不 同 折 射 率 ， 各 种 色 光 的 传 播 方 向 有 不 同 程 度 的 偏 折 ， 因 而 在离 开 棱 镜 时 就 各 自 分 散 ， 形 成 光 谱 。 牛 顿 在 1666 年 最 先 利 用 三 棱 镜 观 察 到 光 的 色 散 ,把 白 光 分 解 为 彩 色 光 带 (光 谱 ).色散 现 象 说 明 光 在 媒 质 中
6、的 速 度 随 光 的 频 率 而 变 .光 的 色 散 可 以 用 三 棱 镜 ,衍 射 光 栅 ,干 涉仪 等 来 实 现 。 其 中 ， 光 的 三 原 色 就 是 红 、 绿 、 蓝 。 它 们 被 称 为 光 的 “三 原 色 ”因 为 自 然 界 红 绿 蓝 三 种颜 色 无 法 用 其 它 颜 色 混 合 而 成 的 ， 而 其 他 颜 色 可 以 通 过 红 、 绿 、 蓝 光 的 适 当 混 合 而 得到 的 ， 因 此 红 、 绿 、 蓝 三 种 颜 色 被 称 为 光 的 “三 原 色 ”。 牛 顿 指 出 ， 还 可 以 用 另 一 种方 法 把 色 光 重 新 复 合
7、 为 白 光 把 光 谱 画 在 圆 盘 上 成 扇 形 ， 然 后 高 速 旋 转 这 个 圆 盘 ， 圆盘 就 呈 现 白 色 这 种 实 验 效 果 一 般 称 为 “视 觉 暂 留 效 应 ” 眼 睛 视 网 膜 上 所 成 的 像 消 失后 ， 大 脑 还 可 以 把 印 象 保 留 零 点 几 秒 种 从 而 ， 大 脑 可 将 迅 速 变 化 的 色 像 复 合 在 一 起， 就 形 成 一 个 静 止 的 白 色 像 在 电 视 屏 幕 上 或 电 影 屏 幕 上 ， 我 们 能 够 看 到 连 续 的 图 像， 其 原 因 也 正 在 于 利 用 了 人 的 “视 觉 暂 留
8、 效 应 ”牛 顿 通 过 一 系 列 的 色 散 实 验 和 理 论 研 究 ， 把 结 果 归 纳 为 几 条 ， 其 要 点 如 下 ： 光 线 随 着 它 的 折 射 率 不 同 而 颜 色 各 异 颜 色 不 是 光 的 变 样 ， 而 是 光 线 本 来 就 固 有 的性 质 同 一 颜 色 属 于 同 一 折 射 率 ， 反 之 亦 然 颜 色 的 种 类 和 折 射 的 程 度 为 光 线 所 固 有 ， 不 因 折 射 、 反 射 和 其 它 任 何 原 因 而 变 化 必 须 区 别 本 来 单 纯 的 颜 色 和 由 它 们 复 合 而 成 的 颜 色 不 存 在 自 身
9、 为 白 色 的 光 线 白 色 是 由 一 切 颜 色 的 光 线 适 当 混 合 而 产 生 的 事 实 上 ，可 以 进 行 把 光 谱 的 颜 色 重 新 合 成 而 得 到 白 光 的 实 验 根 据 以 上 各 条 ， 可 以 解 释 三 棱 镜 使 光 产 生 颜 色 原 因 与 虹 的 原 理 等 自 然 物 的 颜 色 是 由 于 该 物 质 对 某 种 光 线 反 射 得 多 ， 而 对 其 他 光 线 反 射 得 少 的 原 因 由 此 可 知 ， 颜 色 是 光 （ 各 种 射 线 ） 的 质 ， 因 而 光 线 本 身 不 可 能 是 质 因 为 颜 色 这 样的 质
10、 起 源 于 光 之 中 ， 所 以 现 在 有 充 分 的 根 据 认 为 光 是 实 体 那 么 ， 光 的 颜 色 到 底 是 怎 么 形 成 的 呢 ？其 实 ， 光 波 都 有 一 定 的 频 率 ， 光 的 颜 色 是 由 光 波 的 频 率 决 定 的 ， 在 可 见 光 区 域 ，红 光 频 率 最 小 ， 紫 光 的 频 率 最 大 ， 各 种 频 率 的 光 在 真 空 中 传 播 的 速 度 都 相 同 ， 等 于 3.0108m/s 但 是 不 同 频 率 的 单 色 光 ， 在 介 质 中 传 播 时 由 于 受 到 介 质 的 作 用 ， 传 播 速 度都 比 在
11、真 空 中 的 速 度 小 ， 并 且 速 度 的 大 小 互 不 相 同 红 光 速 度 大 ， 紫 光 的 传 播 速 度 小， 因 此 介 质 对 红 光 的 折 射 率 小 ， 对 紫 光 的 折 率 大 当 不 同 色 光 以 相 同 的 入 射 角 射 到 三棱 镜 上 ， 红 光 发 生 的 偏 折 最 少 ， 它 在 光 谱 中 处 在 靠 近 顶 角 的 一 端 紫 光 的 频 率 大 ， 在介 质 中 的 折 射 率 大 ， 在 光 谱 中 也 就 排 列 在 最 靠 近 棱 镜 底 边 的 一 端 。二 、 对 光 性 质 的 认 识 。那 至 于 人 对 光 的 性 质
12、 方 面 的 认 识 ， 就 更 经 历 了 更 长 的 时 间 更 多 的 争 持 。 早 在 古 代 ，人 类 对 实 物 和 光 就 有 了 一 定 的 认 识 。 随 着 近 代 自 然 科 学 的 建 立 ， 实 物 和 光 在 物 理 学 和化 学 中 被 系 统 地 加 以 研 究 。 但 是 ， 直 到 19 世 纪 ， 实 物 和 质 量 ， 光 和 能 量 还 被 人 为 地混 淆 在 一 起 。 在 这 个 时 期 ， 人 们 认 为 实 物 是 由 单 个 的 粒 子 构 成 的 ， 是 由 被 赋 予 一 定 质量 (原 子 量 和 分 子 量 )的 原 予 和 分
13、子 构 成 的 ， 实 物 具 有 间 断 的 结 构 。 在 实 物 结 构 中 不 容 许任 何 非 连 续 性 。 关 于 光 ， 在 牛 顿 时 代 就 存 在 着 微 粒 说 和 波 动 说 的 斗 争 。 可 是 ， 随 着 光的 干 涉 、 衍 射 的 发 现 ， 托 马 斯 扬 和 菲 涅 耳 在 19 世 纪 复 活 了 光 的 波 动 论 ， 从 此 波 动 说在 光 学 中 占 了 上 风 。 光 与 运 动 相 提 并 论 ， 被 视 为 剥 夺 了 重 量 和 质 量 的 能 量 形 式 。 光 是波 动 的 ， 因 此 具 有 连 续 性 的 结 构 。 就 这 样
14、 ， 实 物 和 光 在 性 质 和 结 构 上 是 绝 对 对 立 的 ，二 者 之 间 既 没 有 任 何 统 一 ， 也 根 本 不 容 许 它 们 相 互 转 化 。 但 后 来 经 过 一 系 列 的 争 论 与研 究 后 ， 发 现 光 像 实 物 一 样 也 具 有 质 量 。 光 呈 现 为 一 种 内 部 矛 盾 的 现 象 ： 光 像 波 一 样传 播 着 ， 此 时 表 现 出 自 己 的 波 动 性 ， 由 此 产 生 出 光 的 干 涉 和 衍 射 现 象 ； 光 在 发 射 和 吸收 时 ， 这 些 过 程 不 是 以 连 续 的 “ 流 进 行 的 ， 而 是 以
15、 间 断 的 份 额 、 以 量 子 进 行 的 。 这 直接 证 实 了 辩 证 唯 物 主 义 关 于 自 然 界 没 有 截 然 的 分 离 、 没 有 绝 对 的 界 限 的 观 点 ， 同 时 也十 分 清 楚 地 显 示 出 ， 世 界 的 统 一 性 的 确 在 于 它 的 物 质 性 ， 因 为 光 的 物 质 性 的 发 现 直 接导 致 光 作 为 物 质 的 另 一 种 物 理 形 式 同 实 物 的 统 一 。 这 里 需 要 说 明 的 是 ， 光 所 具 有 的 质 量 没 有 力 学 性 质 。 据 现 代 物 理 学 的 观 点 ， 光 的特 点 是 没 有 “
16、 静 止 质 量 “ ， 也 就 是 说 光 的 静 止 质 量 等 于 零 。 按 其 本 性 光 的 质 量 具 有 电磁 特 性 ， 它 与 运 动 着 的 电 子 的 质 量 一 样 ， 可 以 称 为 “ 运 动 质 量 “ (以 区 别 于 “ 静 止 质 量“ )， 光 所 固 有 的 全 部 质 量 都 是 “ 运 动 质 量 “ 。 这 意 味 着 ， 光 不 能 以 静 止 的 状 态 存 在 ，不 能 把 光 想 像 为 相 对 静 止 。 如 果 在 光 的 通 道 上 设 置 绝 对 黑 体 ， 使 光 “ 停 顿 “ ， 那 么 这个 绝 对 黑 体 将 吸 收 光
17、 ， 光 将 经 受 质 的 转 化 ， 转 变 为 运 动 着 的 物 质 的 另 外 的 形 式 ， 如 转变 为 热 的 形 式 。 这 又 证 明 了 辩 证 唯 物 主 义 的 一 条 原 理 ： 物 质 只 是 在 运 动 中 存 在 ， 世 界是 运 动 着 的 物 质 。 就 这 样 ， 在 20 世 纪 初 ， 实 物 和 光 之 间 的 人 为 分 离 开 始 得 到 消 除 。 但是 在 此 时 ， 人 们 认 为 实 物 并 不 具 有 波 动 性 ， 而 且 光 和 实 物 之 间 依 然 不 能 相 互 转 化 。 物 质 的 两 种 物 理 形 态 由 原 先 的
18、 分 离 走 向 统 一 的 认 识 过 程 ， 是 在 光 学 领 域 开 始 的 ， 接 着进 一 步 在 物 理 学 的 其 他 领 域 ， 首 先 是 在 电 子 物 理 学 领 域 延 续 和 深 化 。 由 于 普 朗 克 的 量子 论 ， 以 实 物 和 光 的 分 离 为 基 础 的 旧 观 念 已 发 生 了 严 重 的 动 摇 。 人 们 不 禁 要 问 ， 如 果光 不 仅 是 连 续 的 、 波 动 的 过 程 ， 而 且 也 是 间 断 的 、 具 有 量 子 特 征 的 过 程 ， 那 么 难 道 不应 当 预 期 ， 实 物 不 仅 表 现 出 间 断 的 、 原
19、 子 的 特 征 ， 而 且 也 表 现 出 波 动 的 、 连 续 的 特 征吗 ?法 国 物 理 学 家 德 布 罗 意 就 是 这 样 设 想 的 。 他 在 1924 年 11 月 25 日 进 行 的 论 文 答辩 中 ， 从 爱 因 斯 坦 的 光 的 波 粒 二 象 性 出 发 ， 依 据 形 式 上 的 类 比 ， 提 出 了 物 质 波 的 大 胆假 设 ， 认 为 以 前 只 是 属 于 光 的 波 动 特 征 ， 同 样 也 应 该 在 实 物 (例 如 电 子 )身 上 表 现 出 来。随 着 时 间 的 推 移 ， 科 技 的 发 展 ， 人 们 对 光 的 认 识 越 来 越 深 刻 ， 越 来 越 丰 富 。 目 前人 类 对 光 的 认 识 远 远 多 于 只 是 其 色 散 方 面 和 性 质 方 面 的 认 识 。 然 而 ， 对 于 世 间 万 物 来说 ， 人 类 目 前 对 光 的 认 识 还 是 不 全 面 的 ， 肤 浅 的 。 对 光 的 更 多 的 认 识 ， 还 有 待 我 们 人类 的 世 世 代 代 的 不 断 丰 富 。
