人类对光的认识

人类对光的认识

李耀飞

摘 要：人类对光的本性的认识过程是曲折和复杂的，本文对这个过程进行了详细的阐述。 关键词：光的本性；认识过程

人类对光的认识起源应追溯到远古时代。在我国古代成书的《墨经》中,记载了当时墨家学派的代表人物墨翟和他的学生做的小孔成像实验,并得出了光沿直线传播的结论,这可以说是世界上对光的最早认识。

光究竟是什么的争论很早就已经开始了,直到17世纪,通过牛顿和惠更斯的争论，才逐渐明确关于光的本性的两种学说。荷兰物理学家惠更斯提出光的波动学说,并从波动学说出发,推出了光的反射和折射定律,伟大的物理学家牛顿根据光的直线传播,提出了光的微粒流理论,认为光是由很小的微粒构成,类似于质点,并且微粒在均匀介质中按力学规律作匀速直线运动。光的波动说和微粒说在解释各种光现象时都有成功的一面,但都不十分圆满。不过,牛顿的微粒说中包含了波动说的要点,但他更倾向于微粒说的观点,由于牛顿在学术界的声望很高,他的支持者和崇拜者们把牛顿推举为微粒说的代表,这场关于光的本性之争持续了一百多年。在这段时期内,微粒说一直处于上风,波动说发展得十分缓慢。

19世纪初,沉寂达一个世纪之久的波动说开始复兴,其中功劳最大的当属英国物理学家托马斯·杨和法国工程师菲涅耳。1801年,杨巧妙的从同一列波的波面上取出两个次波源,这两个次波源恰好满足相干的条件,进行了著名的杨氏双缝干涉实验,在人类历史上最先为光的波动性提供了有力的实验证据,是导致光的波动理论被普遍承认的一个决定性的实验。衍射也是波的重要特征,1818年巴黎科学院举行了一次规模很大的科学竞赛,竞赛题目的表达方式带有明显的有利于微粒说的倾向性,而且参加竞赛评比委员会的多位著名科学家都是微粒说的拥护者,其中有毕奥、拉普拉斯、泊松等。 年轻的菲涅耳把惠更斯学说加以发展,提出了波动的数学理论,由于新理论具有较强的说服力，反对派也马上接受了。会后,著名的数学家泊松根据菲涅耳的理论推算出圆屏衍射时在圆屏阴影的中央应该出现一个亮斑，并认为这是根本不可能发生的事，泊松兴高采烈的宣称他驳倒了菲涅耳的理论。但是，当菲涅耳和阿拉果通过实验证明了这个亮斑确实存在时，光的波动理论被确信无疑是正确的，而这个亮斑却戏剧性的冠上了泊松的名字。

对光的波动理论有进一步推动作用的是光速的测量，其中最著名的是1850年傅科用高速旋转镜法测出了光在真空中的传播速度。1873年英国物理学家麦克斯韦的重要著作《论

电和磁》问世，标志着电磁场理论的全面建立。麦克斯韦在建立电磁场理论的时候，就注意到人们对光速的测量数据，根据麦克斯韦方程组计算出电磁波在真空中的传播速度与光速的测量值吻合得相当好。麦克斯韦在理论上预言：光是一种电磁波。1887年，赫兹用实验证实了电磁波的存在，并证明了电磁波和光波的一致性，我们平时所看见的光只不过是电磁波谱中的可见光部分，光学和电磁学两个彼此独立的领域，从此联系在了一起。为此恩格斯对19世纪的自然科学给予了较高的评价：“经验自然科学获得了巨大的发展和极其辉煌的成果，甚至不仅有可能完全克服18世纪机械论的片面性，而且自然科学本身，也由于证实了自然界本身所存在的各个研究部门之间的联系，而从经验科学变成了理论科学，并由于把所得到的成果加以概括，又转化成为唯物主义的自然认识体系。”

19世纪末，经典物理学理论已发展到十分完善的阶段，当时的许多的物理学家认为：整个物理世界最重要的规律都已被发现，在物理学晴朗的天空中只剩下两朵小小的乌云未驱散，那就是用经典物理学无法解释的黑体辐射和迈克耳逊——莫雷实验。1900年德国物理学家普朗克放弃了经典的能量均分原理，大胆的提出了能量的量子化假设，并从理论上导出了黑体辐射的经验公式。

1887年，赫兹在进行电磁波实验时发现了光电效应，光电效应是指光照射到金属表面时，有电子从金属表面逸出的现象。1902年，德国物理学家勒那德找到两条实验规律：①任何一种金属都存在一个极限频率，只有入射光的频率大于极限频率才能产生光电效应；②光电子的最大初动能只随入射光频率的增大而增大，与入射光的强度无关。这两条规律都无法用波动理论进行解释。1905年，年轻的物理学家爱因斯坦在普朗克能量量子化假设的启发下，提出了光子说，光子说认为光在空间行进不是连续的波，而是一个个光子，根据爱因斯坦的光电效应方程可以圆满的解释光电效应的实验结果，爱因斯坦就是因为发现了光电效应定律而荣获1921年度的诺贝尔物理学奖。

1923年，美国物理学家康普顿在X射线的散射实验中观测到了光子和自由电子发生弹性碰撞时的现象，即康普顿效应，康普顿效应进一步证实了光的粒子性。需要指出的是，我国著名物理学家吴有训先生用精湛的实验技术，精辟的理论分析，无可争议地证实了康普顿效应。康普顿对吴有训教授的工作给予了很高的评价，特别是吴有训的一张被15种元素所散射的X射线光谱图，康普顿把它和自己得到的石墨所散射的X射线光谱图并列，作为当时证实光具有粒子性的主要依据。

光既有波动性，又有粒子性，是一种具有波粒二象性的微观粒子，光的波动性是大量光子的行为表现，而个别光子则表现出粒子性。人类对光的本性的探索经历了一个循环，复杂

而曲折的过程，是人类顽强性与创造性的里程碑。

科学是无止境的，对光的本性的认识还有待进一步的完善和成熟，爱因斯坦曾说过：“整整50年有意识的思考，还没有使我更接近‘光量子是什么’的答案。”可见，对光的本性的认识还要走很长很长的一段路程„„

参考文献：

1、赵凯华：《光学、电磁学》。北京：高等教育出版社。

2、柳 斌：《中学教学全书》（物理卷）。上海：上海教育出版社。