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1、光的长河 光学的发展史史数学系PB13001078张桢林中国科学技术大学物理课程论文i关键词：光学，发展史，波粒之争在开始讲述光学的发展史之前，我们不得不先来谈谈科学的先行者希腊人。希腊人为科学作出的贡献是不可或缺的。早期希腊人建立了从观察到思考的探究过程，希腊人杰出的思辨能力让他们能从深层而不是从经验获取知识，而后期的希腊人更是通过实验进行研究，虽然他们的结论有许多错误，但是他们打开了通往科学的大门。光学作为最古老的物理学分支之一，自古埃及就有人研究。据说在尼尼微城的遗迹中发现了水晶制成的会聚透镜，而尼尼微城在公元前612年被米底和巴比伦联军毁灭，这说明人们在公元前7世纪就对光有了一定的认识
2、。十分重视几何的柏拉图学派曾经讲授关于光的直线传播和入射角与反射角相等的知识。在公元139年亚历山大城处于全盛时期时，托勒密测量了入射角与折射角，并发现在角度较小时，入射角与折射角成比例近似正确。事实上，希腊人研究最多的就是反射现象，反射光学和光学这两本书代表了希腊人在这方面的成就（作者疑是欧几里得），尤其是反射光学中讨论了球面镜与其焦点，并论证了抛物面镜的汇聚性质。虽然这些研究中有不少错误，但作为人类对自然的初步探究，古希腊人可谓成果斐然。中世纪的霸主之一阿拉伯人在物理学的其他的几个分支上成果很少，唯独在光学上有不少发现，这全赖于阿勒哈增的努力。哈增对前人的研究做出来补充，并对球面镜和抛物柱
3、面镜做了研究。提出并讨论了阿勤哈增问题，即给定发光点与眼睛位置，求球面镜（或其他反射镜）上发生反射的位置。此外，他还意识到了光与能量有关，并详细描绘了人眼结构。他的光学大全在1572年还被出版。 球面反射中国科学技术大学物理课程论文ii中世纪这部歌剧的另一主演欧洲则完全陷入了宗教的泥潭中，他们更多地只是对前人著作进行注释，因为任何企图颠覆前人著作的人都会大祸临头。16世纪是激烈的智力活动时期，科学发展的车轮再一次开始前行。物理学方面，力学与天体物理学方面取得的成就是巨大而且影响深远的，只可惜光学方面的进步并不大。不过有两个重要的仪器在这个时期被发明出来望远镜和显微镜。17世纪，科学的发展愈发快
4、速。斯涅耳，笛卡尔，费马先后发现或证明（在某些假设下）了折射定律。光速的测量也别提上了日程，伽利略首先设计了提灯实验，但因为实际原因，实验不能成功，但他设计的另一个实验却让他人获得了成功。丹麦人勒麦受伽利略启发对木卫食的研究与布拉雷对座视差的测量最终确定了光是渐进传播的。然而上面几位科学家的研究只是17世纪光学乐章的前奏，随后三百余年的“波粒战争”才是乐章的主题。我们之所以称其为“战争”，是因为“参战”的两方各执一词，壁垒分明，而且“交战”的激烈程度远超以往，“战争”的持续时间也颇为漫长。序章笛卡尔在他的著作方法论的三个附录之一折光学中提出了两种假说。一种假说认为光是一种类似微粒的物质；另一种
5、假说认为光是一种以“以太”为媒质的压力。这两种假说为之后的波粒之争埋下了伏笔。第一乐章（第一次波粒战争）微粒说的观点由来已久。1655年格里马迪发现了衍射现象，为波动学说的诞生打下基础。1663年波义耳提出色彩不是物体本身的性质，而是光照射上去产生的效果。他还记载了肥皂泡与玻璃球中的彩色条纹。1673年牛顿在关于光与色的新理论中谈到了色散实验，并用微粒说解释了光 色散中国科学技术大学物理课程论文iii的颜色理论。但是胡克和波义耳并不同意牛顿的看法，自此，波与粒的争论开始了。1678年惠更斯拿出了他的一篇论文论光，这篇论文在1690年发表，并成为解释光的波动性理论的最早尝试。他以假设以太存在为前
6、提，认为光是一种机械波，并且是纵波。他用波动论解释了反射与折射现象，也较好的解释了衍射和双折射现象以及著名的“牛顿环”实验，他还举出一个例子两束光交叉穿过不会改变传播方向，来反驳微粒说。但他不能解释光的直线传播性。1704年，牛顿正式发表了他的著作光学。一方面，他提出了两点反驳惠更斯的理由，一：光如果是一种波，那它可以绕过障碍物，影子就不会出现；二：冰洲石双折射现象说明光在不同边上有不同的性质，波动说对此无法解释。另一方面，牛顿把他的微粒观推广到整个自然界，并与他的质点力学体系融为一体，为微粒说找到了坚强的后盾。这是一次对波动说的沉重的打击，牛顿崇高的学术地位让人们不敢对其发出挑战，而波动说的
7、领军人物胡克和惠更斯的相继去世让波动说群里龙无首，这支失去了领袖的军队还没有来得及在领土上建造几座坚固一点的堡垒，就遭到了毁灭性的打击。就这样第一次波粒战争就这样一波动的惨败而告终，战争的结果是微粒说牢牢占据礼物理界的主流。波动被迫转入地下，在长达整整一个世纪的时间里都抬不起头来。然而，它却仍然没有被消灭，惠更斯等人所作的开创性工作使得它仍然具有顽强的生命力，默默潜伏着以等待东山再起的那天。第二乐章（第二次波粒战争）跳过微粒说统治的18世纪，让我们直接来到19世纪。天才的托马斯杨在1801年进行了著名的双缝干涉实验，他在关于光与声的实验和问题中把光和声进行类比，并通过引入干涉原理，证明了光是一
8、种纵波。1803年，他根据干涉定律对衍射现象进行了进一步的解释，认为衍射是由直线光束牛顿环杨氏双缝干涉实验中国科学技术大学物理课程论文iv与反射光束干涉形成。但由于他认为光是纵波，所以在理论上遇到了许多麻烦。杨氏的理论虽然被不被大多数人认同，却引起了牛顿学派的兴趣。1808年拉普拉斯用微粒说解释了双折射现象，批驳了杨氏的波动说。1809年马吕斯在实验中发现了偏振现象，再进一步研究简单折射中的偏振时，他发现光在折射式是部分偏振的，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有力证据。1811年布儒斯特发现了光的偏振的经验定律，微粒说的阵地似乎坚不可摧。直到1815年，菲涅耳重新设计了干
9、涉实验，避开了衍射，以反射光束进行干涉实验，并进行了详细的数学研究。这个实验让微粒说对干涉的不科学的解释再无立足之地。而圆盘衍射中心出现的亮斑也给了微粒说重重一击。法国的阿拉哥在研究过这两个问题后，成为了波动说的“信徒”。波动说扳回一城。1817年杨氏经过了对光的深入研究后放弃了惠更斯的“光是一种纵波的想法”，提出了“光是一种横波”的假说，比较成功的解释了偏振现象。而后，菲涅耳和阿拉哥更充分地解释了它。而微粒说的拥护者毕奥通过复杂而优美的数学研究同样用微粒说对偏振做出了解释。阿拉哥与毕奥为此进行激烈的争论，以致一度亲密合作的两人完全变得疏远了。1821年夫琅禾费用光栅研究了衍射现象，其后施伟尔
10、德用波动说成功解释了衍射现象，新的波动学说自此牢固的建立起来了。而微粒说因为不能解释干涉现象而日薄西山。 1850年，傅科和菲佐分别用不同的方法测得了空气中和水中的光速。1862年傅科改进了原有的实验装置，加装了一套推动圆周屏的轮系统，以便准确量度旋转镜的旋转速度，又使光经过几次反射，加长了光经过的路程，以便准确量度光经过此路程的时间。由此测得光在空气中的速度为289000千米每秒。最终得到了光在空气中的速度更快的结论，而牛顿的中国科学技术大学物理课程论文v微粒说认为光在更密集的媒介中速度更大，这一实验事实无疑给了微粒说致命一击。至此，第二次波粒战争以波动说的胜利而尘埃落定。光学在18世纪还有
11、一些其他的成果，对光谱的研究和应用，对光与辐射的研究和黑体的提出，对各种光学仪器的研究和应用，代表了18世纪后期光学的发展。第三乐章（第三次波粒战争）波动说虽然在第二次波粒战争中大获全胜，但始终有一个问题困扰着物理学家们，那就是以太。作为波动说的基础，以太的存在是必须的，但各种各样的实验让以太的性质变得光怪陆离。先是要求以太是一种弹性物质；而后有人又提出以太需在剧烈的打击下会发生振动，在缓慢的情况下有呈塑性。菲涅耳曾假定以太静止在自由空间和不透明的物体中，但如果以太在黑色物体中不运动，光波有怎么会引起被称为热的分子运动？于是就有了之后的以太漂移理论，但迈克尔逊-莫雷实验结果又和以太漂移说相矛盾
12、。而地球穿过以太在空间中运动，就相当于一艘船在高速行驶，迎面会吹来强烈的“以太风”。迈克尔逊在 1881年进行了一个实验，想测出这个相对速度，但结果并不十分令人满意。于是，他和另外一位物理学家莫雷合作，在1886年安排了第二次实验。这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了。他们动用了最新的干涉仪。为了提高系统的灵敏度和稳定性，他们甚至多方筹措，弄来了一块大石板，把它放在一个水银槽上。这样，就把干扰的因素降到了最低的限度。然而，实验结果却让他们无比震惊和失望：两束光线根本就没有表现出任何的时间差。以太似乎对穿越于其中的光线毫无影响。迈克尔逊和莫雷不甘心，一连观测了四天，情况都是一样。迈中国科学
13、技术大学物理课程论文vi克尔逊和莫雷甚至还想连续观测一年，以确定在四季中，地球绕太阳运行对以太风造成的差别。但因为这个否定的结果是如此清晰而不容质疑，这个计划被无奈地取消了。迈克尔逊莫雷实验是物理史上最有名的“失败的实验”。1900年的4月27日，欧洲著名的科学家欢聚一堂。英国著名物理学家威廉.汤姆生（即开尔文男爵）在回顾物理学所取得的伟大成就时说：“物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。”同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦
14、克斯韦-玻尔兹曼理论上。”他所说的第一朵乌云就指的是迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾。英国物理学家麦克斯韦通过对电磁现象的研究，建立了电磁学，并将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而确立了波动说的地位。这种理论预见后来得到了实验的证实。19世纪的最后几年，几种射线被先后发现，而电子也在阴极射线的研究中首次亮相。1887年，德国科学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，也证实了光其实是电磁波的一种，两者具有共同的波的特性。但赫兹在实验中同时也证实了光电效应，即在光的照射下物体会释放出电子，而这一发现，后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础,光的粒子性再一次被证明。1900
15、年，普朗克解决了黑体辐射问题，创立了量子假说，同时普朗克在做了大量实验后认识到电磁波是某种粒子。但电磁学存在着巨大缺陷，按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度（光速）应该是一个恒量，然而根据经典力学对光速的解释，不同惯性系中的光速不同。光速究竟是否应该遵从相对性原理？电磁学对光速的解释与经典力学在相对性原理上相互之间产生了巨大的矛盾。爱因斯坦坚信宇宙中一切物理现象的背后都蕴藏着完整的统一性，因此麦克斯韦的电磁学理论必须要与经典力学统一起来。他在1905年创立了狭义相对论，揭示了时间与空间的本质联系，引起了物理学基本概念的重大变革。他在物理年报上发表了题为关于光的产生和转中国科学技术大学物理课程论
16、文vii化的一个推测性观点的论文，认为对时间的平均值即传播中，光表现为波动性；对时间的瞬间值即与物质发生作用时，光表现为粒子性。这一科学理论最终得到了科学界的广泛认同。1921年，康普顿通过实验证明了x射线具有粒子性。1927年，杰莫尔和乔治汤姆森在实验中证明了电子束具有波动性。从笛卡尔提出两种假说起，这场历经三百余年的“波粒战争”终于以波粒二相性落下帷幕。惠更斯，牛顿，托马斯杨，菲涅耳，麦克斯韦，赫兹，普朗克，爱因斯坦等众多伟大的科学家正是这场战争的领军大将，正是他们的努力揭开了遮盖在光的本质上的那层神秘的面纱。20世纪对光的研究也不仅仅只有这些，科学家们利用电磁波理论对光谱进行了更深的研究并得到了许多奇妙的结论。而光学也不再是一门“独立”的学科，他更多地与电磁学，量子力学等新兴学科交叉在一起。至此，我对光学发展历史的介绍告一段落。*参考文献：物理学史美弗卡约里著上帝掷骰子吗？量子物理史话曹天元著部分材料取自互联网 2015
