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光的本性之争:光是粒子还是波?

高鹏, 著  2017-07-17

“量子”这个概念最早源自科学家对光的认识,所以就让我们从光的性质说起吧。


自古以来太阳就是人类膜拜的对象。阳光是人类必不可少的生命源泉,但人们对于光到底是个什么东西却说不清楚,所以古人只好把太阳当作神灵来崇拜,把太阳作为光明的象征,也把太阳看作是世界的统治者。


在很长一段时间内,人类对光的认识只限于某些简单的现象和规律描述,例如,战国时期的《墨经》中记载了投影、小孔成像等光学现象;古希腊学者欧几里得的《反射光学》论述了光在传输过程中的直线传播原理和光的反射定理。


随着科学的发展,人们逐渐开始以科学的方法来研究光,并发现了反射、折射等一些基本的光学现象。到了17世纪,人们开始研究光的本性,但对于光的性质却发生了似乎是水火不容的争论:牛顿认为光是一种粒子,而惠更斯却认为光是一种波。


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惠更斯的波动学说


荷兰物理学家惠更斯认为,如果光是一种粒子,那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向,可人们并没有观察到这种现象,所以粒子说是错误的。他认为,光是发光体产生的振动在“以太”中的传播过程,以球面波的形式连续传播。当时人们认为以太是充满了整个空间的一种弹性粒子,当然,现在已经证明这是一种子虚乌有的东西。惠更斯认为,以太波的传播形式不是以太粒子本身的移动,而是以振动的方式传播。


1690年,惠更斯出版了《光论》一书,阐述了他的光波动原理。他指出:


“光波向外辐射时,光的传播介质中的每一物质粒子不只是把运动传给前面的相邻粒子,而且还传给周围所有其他和自己接触并阻碍自己运动的粒子。因此,在每一粒子周围就产生以此粒子为中心的波。”


惠更斯在此原理基础上,推导出了光的反射和折射定律,解释了光速在光密介质中减小的原因,同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象(1669年,丹麦学者巴尔托林发现了此现象,透过它可以看到物体呈双重影像)。


惠更斯的波动学说虽然冠以“波动”一词,但他把错误的“以太”概念引入波动光学,对波动过程的基本特性也缺乏足够的说明。他认为光波是非周期性的,波长和频率的概念在他的理论中是不存在的,所以难以说明光的直线传播现象,也无法解释他发现的光的偏振现象。惠更斯的光学理论只是很不完备的波动理论。


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牛顿的粒子学说


牛顿则坚持光的粒子说。他做过很多光学实验,其中就包括著名的三棱镜色散实验。其实这个实验在他之前就有人做过,不过做得不好,只获得了两侧带有颜色的光斑,而牛顿则获得了展开的光谱。而且他用各种不同的棱镜以及不同的组合方式严谨地研究了色散现象,所以不少人都认为色散现象是他最早发现的。


牛顿认为,既然光是沿直线传播的,那就应该是粒子,因为波会弥散在空间中,不会聚成一条直线。最直观的实验证明就是物体能挡住光而形成阴影。他在1675年12月9日送交英国皇家学会的信中鲜明地指出:


“我认为光既非以太也不是振动,而是从发光物体传播出的某种与此不同的东西……可以设想光是一群难以想象的微小而运动迅速的、大小不同的粒子,这些粒子从远处发光体那里一个接着一个地发射出来,但我们却感觉不到相继两个粒子之间的时间间隔,它们被一个运动本原所不断推向前进……”


牛顿在1704年发表了《光学》一书,书中论述了关于光的反射、折射、拐射以及颜色等问题的实验和讨论,也提到了对于光的衍射现象的一些观察实验。虽然《光学》一书主要叙述了他的微粒说观点,但是他也不得不含糊地借用一些波动理论来解释一些实验现象。实际上,牛顿在后期的研究中精确地测量了各种颜色光的波长,但他并不将其称为波长,而且声明:


“这是何种作用或属性,究竟它在于光线或媒质,还是别的某些东西的一种圆周运动或是振动,我在此不予探究……”


由于牛顿和惠更斯都提出了有理有据的论证,但又都有一些破绽,所以科学家们分成了两大阵营,为光的微粒说和波动说吵得不可开交。虽然牛顿含糊地借用了一些波动论的观点,但由于他的巨大声望以及著作中实验和理论分析的严谨性,一时间光的微粒学说占据了上风。


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杨氏双缝干涉实验


一个世纪以后,情况发生了变化。1807年,英国科学家托马斯•杨发表了一篇论文,这篇论文里描述了他发现的光的干涉实验:


“使一束单色光照射一块屏,屏上开有两条狭缝,可认为这两条缝就是两个光的发散中心。当这两束光射到一个放置在它们前进方向上的屏上时,就会形成宽度近于相等的若干条明暗相间的条纹……”


这个实验现在叫做杨氏双缝干涉实验,是物理学史上最著名的实验之一。一束光照射到两条平行狭缝上(见图1-1(a)),如果按照牛顿的光粒子理论,这束光只能在两条狭缝后的屏幕上照出两条亮条纹,但实验结果却是整个屏幕上都出现了明暗相间的条纹(见图1-1(b)),这不就是波的干涉条纹吗?托马斯•杨终于找到了支持波动说的有力证据:光从两条狭缝中通过后,波峰和波峰叠加形成亮条纹,波峰和波谷叠加形成暗条纹。


托马斯•杨成功地完成了光的干涉实验,并由此测定了光的波长,从而为光的波动性提供了重要的实验依据。


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图1-1 杨氏双缝干涉实验示意图


用单色平行光照射一个窄缝S,即窄缝相当于一个线光源。S后放有与其平行且对称的两狭缝S1和S2,双缝之间的距离非常小,双缝后面放一个屏幕,则可以在屏上观察到明暗相间的干涉条纹


泊松的乌龙球


杨氏双缝干涉实验拉开了光的波动说对微粒说的反击序幕。1818年,菲涅耳和泊松又发现光在照射圆盘时,在盘后方一定距离的屏幕上,圆盘的影子中心会出现一个亮斑。这是光的圆盘衍射,是波动说的又一个有力证据。


当单色光照射在宽度小于或等于光源波长的小圆盘上时,会在后面的光屏上出现环状的互为同心圆的衍射条纹,并且在圆心处会出现一个极小的亮斑,这个亮斑被称为泊松亮斑(见图1-2)。


泊松亮斑的发现说起来还是一段歪打正着的佳话呢。


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图1-2 泊松亮斑


1818年,法国科学院提出一个征文竞赛题目:利用精确的实验确定光线的衍射效应。


当时只有30岁的菲涅耳向科学院提交了应征论文,他提出一种半波带法,定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹,得出的结果与实验吻合得很好。更令人惊奇的是,菲涅耳竟然用波动理论解释了光沿直线传播的现象。


竞赛评奖委员会中有著名的科学家泊松,但他当时是坚定的光的粒子论支持者,菲涅耳的波动理论自然遭到了泊松的反对。


泊松希望找到菲涅耳的破绽来驳倒他。他运用菲涅耳的理论推导了圆盘衍射,结果导出了一种非常奇怪的现象:如果在光束的传播路径上放置一块不透明的圆盘,那么在离圆盘一定距离的地方,圆盘阴影的中央应当出现一个亮斑。在当时来说,这简直是不可思议的,所以泊松宣称,他已经驳倒了菲涅耳的波动理论。


但是另一位评委阿拉果却是波动说的支持者,他支持菲涅耳接受这个挑战。他们立即用实验对泊松提出的问题进行了检验,结果发现影子中心真的出现了一个亮斑,这个实验精彩地证实了菲涅耳波动理论的正确性。在事实面前,泊松哑口无言。


这件事轰动了法国科学院,菲涅耳理所当然地荣获了这一届的科学奖。


令人啼笑皆非的是,原本想反对波动说的泊松,竟然无意中帮了波动说一个大忙,虽然属于自摆乌龙,但毕竟为波动论进了一球,波动论者也没有忘记他的功劳,慷慨地把这个现象称为泊松亮斑。不管泊松愿不愿意,他在后人心目中已经成了波动学说阵营中的一员大将。


光就是电磁波


随着时间的推移,波动说又取得了越来越多的证据。英国科学家麦克斯韦在建立电磁理论的研究过程中,于1862年就预见到光是起源于电磁现象的一种横波,他在相关论文中用斜体字写道:


“我们很难避免得出这样的结论,即光是由引起电现象和磁现象的同一介质中的横波组成的。”


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麦克斯韦在多年研究的基础上,于1873年出版了《电磁通论》一书,指出了光就是电磁波!


麦克斯韦将电磁学里的四个公式结合起来,提出麦克斯韦方程组。他明确指出,变化的电场会产生磁场,变化的磁场又会产生电场,这样电和磁可以像波(称为电磁波)一样在真空中向前传播而不需要介质。电磁波弥漫在整个空间,以光速传播。麦克斯韦同时预测:光就是电磁波。


1879年,麦克斯韦因病逝世,年仅48岁。不少人都喜欢讲这样一个巧合:爱因斯坦正好在1879年出生,莫非冥冥之中二人有着一定的联系?遗憾的是,这样的八卦是经不住检验的,因为麦克斯韦在11月5日去世,而爱因斯坦在3月14日就出生了。


虽然麦克斯韦提出了电磁波理论,但不少人对此还是半信半疑。1886年,德国物理学家赫兹发明了一种电波环,他用这种电波环做了一系列实验,终于在1888年发现了人们期待已久的电磁波。赫兹的实验公布后,轰动了世界,麦克斯韦的电磁理论至此取得了决定性的胜利。


于是,可见光、紫外线、红外线,以及后来发现的X射线、γ射线等这些之前被认为不相干的东西,现在统统被统一成电磁波,光和电磁波也明确地对应起来。至此,波动说终于彻底击败了粒子说,至少当时人们都是这样认为的。


从量子到宇宙
作者高鹏, 著
定价45元
ISBN9787302452102
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责任编辑:谢爽

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