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1、 青岛大学本科毕业论文（设计） 11.引言波粒二象性（wave-particle duality）是指物质同时具备波的特质同时具备粒子的性质。在经典力学中，波和粒子是被区分为两种不同的研究对象；而在量子力学中，它们具有统一性。最早有关于光的波粒二象性的研究要追溯于亚里士多德时期，但开始有实质性研究成果的则是在 17 世纪牛顿时代开始的。从这个时期开始以牛顿学说为代表的微粒说（发射说）与以惠更斯、胡克为代表的波动说开始了长达数个世纪的争论，最后由爱因斯坦提出光的波粒二象性原理而结束。在这漫长的争论中物理学家们为验证光的性质做了大量精彩的实验和提出了众多具有重大意义的假说，本论文通过以关键人物为线
2、索，来研究这些假说和实验的提出与论证过程及它们对物理学和哲学的影响。波粒二象性原理在爱因斯坦提出来之后，被不断的完善与发展，后分别由海森堡和薛定谔提出矩阵力学和波动力学两种理论。两种理论在理论，推导过程方面存在巨大的差异，但是它们后来却被证明是等价的，在根本上是描述了同一种物理性质。之后的互补理论与测不准原理也是对哲学与人们主观认识的巨大的挑战。而近年，又有学者提出第三种波粒二象性，对光的粒子性原理进行了研究，力求获得与德布罗意物质波方程相对应的电磁场的粒子性的方程。但由于本论文主要论述的是其成熟理论的研究过程及影响，故不在下文予以介绍。波粒二象性的提出，给社会、科学、哲学带来巨大的变革，它直
3、接改变了人们对微观世界的认识，奠定了量子力学的基础，在实践与理论中被广泛的运用，爱因斯坦就曾对其核心内容光量子假说评价为：“非常革命的” 。波粒二象性的研究过程深刻的体现了物理学发展的曲折性和独特性，研究这一过程这对我们发展自我的科学认知观、价值观、物理方法论和理论思维能力，具有极大的意义。2.波动说和微粒说的创立2.1 光的波动说的创立最早对光有较深研究的是亚里士多德(Aristotle (公元前 384 - 公元前322 )，他认为光是一种以太现象，是通过在介质中传播的一种运动或作用， 波粒二象性的研究过程及其意义 2而不是由人眼或发光物体发出的某种物质。亚里士多德的观点在当时几乎无人问津
4、，但在 17世纪之后得到长足的发展，成为波动说的基本观点。意大利物理学家格里马第（F.M.Grimaldi,1618-1663）发表发光、颜色和虹彩的物理数学的书。他让一小束太阳光照射到一个稍小的不透明物体，他惊奇的发现，不透明物体的影子比理论计算的影子要大一些，当去掉物体让光直接照到白纸上时，发现其白斑也要比理论值大，并将这种现象命名为衍射。格里马第的实验做得很好，但是他仅提出了光是传播者的光流体的理论，并没有实质性的内容。英国物理学家胡克（Robert Hooke，1635-1703）在用波动理论分析薄膜色彩的过程中认为，这是由于光束存在一定的距离差的缘故，从而形成薄膜色彩。在 1665年
5、出版的显微术一书中，胡克认为光是一种快速而又较小幅度振动。在对于光波扩散的问题上，胡克假设光波在同一均匀介质里各个方面速度相同，使得光以发光体为中心传播形成一个球面，这个球面随着光的传播而不断扩大。惠更斯（Christian Huygens,1629-1695）则认为宇宙空间充满了由许多很小紧密压缩的弹性粒子，这种粒子叫以太。而光线之所以能透过透明的物体，也是因为透明物质中充满了以太。在发表的光论这本书里，惠更斯提出了著名的“惠更斯原理” 。惠更斯的研究成果促进了波动光学的发展，为 19世纪经典光学的发展奠定了基础。2.2 光的微粒说创立关于光是微粒流的说法最早起源于古希腊。就曾提出有人提出光
6、是物体发出的微小粒子的观点。法国物理学家笛卡儿(Rene Descartes,1596-1650)，认为光是由大量而细小的弹性粒子组成的（这类似于波动说所说的以太） ，他运用这观点解释了光的反射定律和光的折射，取得了一定成果。英国著名物理学家牛顿（Isaac Newton,1643-1727）支持光的微粒说,但牛顿在研究光的早期，他对光的本性的解释是将粒子说和波动说结合起来的。他认为，光线是一种微小的粒子，当这些微小的粒子碰撞任何折射和反射界面时，就会像石子引起的水波一样，在以太中激发振动，使得光线完成反射或折射继续传播。 青岛大学本科毕业论文（设计） 3后来，牛顿认为波动理论无法解释包括光的
7、直线传播定律在内的光的几何性质和物理现象。在光学一书中他就明确指出光是与以太振动完全不同。他将光假设成一种由发光物体发出的大小各异的而又迅速运动的细微的粒子。他以力学原理解释光的直线传播，他同时用这原理解释了折射和反射。而对于双折射现象，牛顿归结于微粒具有两种不等的冲力的缘故，使得折射光分成两条线路前进。3.波动说与微粒说之争3.1 微粒说与波动说的对立牛顿与惠更斯3.1.1 牛顿的微粒说 牛顿在最早期研究光的时候，他对光的本性的解释是将微粒说和波动说结合起来的，但到了后来，牛顿极力否定波动说，原因之一是这种理论无法解释光的直线传播定律，同时也无法解释著名的牛顿色散实验。在 17世纪以前，物理
8、界对光的颜色的研究一直止步不前。笛卡儿也曾进行过色散实验的研究，但由于笛卡儿将屏与棱镜放的太近，所以产生的实验现象并不理想，只能看到光带两端的红色和蓝色。笛卡儿的理论和当时其他人的理论一样，都是假定棱镜产生了其他颜色的光，而不认为这是已经存在的。1666年，牛顿做了著名的棱镜色散实验，他将房间遮暗，并让阳光通过适当大小的小孔进入房间，把一块已经磨好的三角棱镜放在阳光的入口，并通过调节使光折射到对面墙上，他观察的图像顶端呈浅蓝色，底部呈淡红色，这使他推断阳光是由不同颜色的光线组成的。之后，他在棱镜之后的光路上放上一块透镜，墙上出现了一条美丽的彩色光带：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。然后牛顿将透镜换
9、成另一个三棱镜，使其折射棱角与第一个棱镜朝向相反，结果在墙上彩色光带消失了，又变回了白光。由此他推断：太阳光是由不同颜色光组成的。牛顿还巧妙的证明颜色并非在透镜中产生的，而是光本来固有的性质。如图 3-1 波粒二象性的研究过程及其意义 4图 3-1 牛顿用三个棱镜的实验（引自文献1）牛顿根据他的经典力学理论，用光的微粒与物体之间的机械作用来解释诸如反射、折射和衍射现象。在解释折射上，他认为光线是一些不同大小的物体，这是产生所有各种颜色和不同程度的可折射性所必需的前提。3.1.2 惠更斯的波动说惠更斯在 1690 年出版的光论指出，类似于声音借助于空气中空气粒子之间的逐步推进来实现向声源周围的整
10、个空间传播过程那样，光无疑也是从发光体通过某种媒介物质的运动而实现传播的。惠更斯在全面思考了胡克的理论，结合水波、声音的传播方式，提出了著名的惠更斯原理，其实验原理如图 3-2 所表示：图 3-2 惠更斯原理（引自文献7）惠更斯认为惠更斯原理可以对光的一切特性及属于光的反射与折射范围内的一切问题进行合理的解释。由图 3-3，根据惠更斯原理可以很快导出折射定律： 青岛大学本科毕业论文（设计） 5图 3-3 惠更斯折射原理图（引自文献7）（1）vridferisn这与大数学家费马(Pierre de Fermat，16011665）导出的折射定律是一致的，与笛卡儿、牛顿导出的 相反。这是因为两种假
11、说，波动说和粒子irv/说在理论上假设的光在光密介质与光疏介质的速度大小关系相反所导致的。这也就成为后来的争论的主要的话题之一。同时，惠更斯对双折射现象也做出了解释。他假定，晶体中寻常光的子波波面和非常光的子波波面是不相同的，这导致两种光的包络面光轴与入射光的波面也不相同，但在两束光在穿出晶体进入空气后，它们又恢复到原来在状态。这样就解释了双折射现象。3.1.3 微粒说与波动说的对立笛卡儿解释光的本质与性质的时候，他一方面在解释光的反射与折射现象时，将光与弹性粒子的性质相类比，另一方面在解释折射现象时，他又认为光密介质中的光速大于光疏介质中的光速。而他的这种解释方式分别包含了波动说与微粒说互不
12、相容的理论基础，这是十分矛盾的，这些矛盾也体现了关于光的本性的争论的必然性。牛顿在早期研究光的时候，他对光的本性的解释是将微粒说和波动说结合起来的，但他在做了棱镜色散实验后，认为波动说无法解释色散现象，便开始倾向于微粒说。他指出波动说所解决不了的三个问题：1、波动说不能完整的解释光的直线传播这一光基本定律。在光学一书中，牛顿指出波动说在解释直线传播方面的不足：如果光具有波动性的话，在 波粒二象性的研究过程及其意义 6传播中遇到障碍物，应该像水波和声波那样应该绕过障碍物扩展到外边的平静的介质中，即能够在绕到障碍物后边去传播，但是，现实中并未发现光的这种现象。2、波动说不能合理的解释双折射现象。牛
13、顿认为，如果光是通过以太运动的话，那么光在充满均匀以太的透明晶体中应该是各个方向都具有相同的性质，但在实验中，晶体双折射所得到的光线在晶体内具有不同的性质。3、波动说所有理论的基础，光用来传播振动的介质“以太”是不合理的。牛顿指出如果存在把天空都填满的流体介质“以太” ，那么它必将妨碍自然界的动作并使之衰退，但是行星和彗星在天空中的各种轨道上的运动并没有观察到很明显的阻力，所以以太的存在是没有根据的。在牛顿的观点受到了胡克、惠更斯等人的反驳。胡克以金刚石摩擦发光的现象为例，指出如果光是微粒，那么摩擦发光后的金刚石的质量应该会减少，但在摩擦的实验中，观测不到金刚石质量的变化。惠更斯则认为微粒说不
14、能解释光的独立传播定律、光的折射现象和双折射现象。他在论光中指出，光传播速度非常大，光线可以由完全不同的方向传播过来，而且光线可以互不干扰的相互穿透。但是物质做不到这一点，如果把光看成微粒的话，那光在传播过程中相遇时，必然会发生碰撞，因而其传播方向就会发生改变。惠更斯运用他的理论解释了光的折射与反射现象并导出了反射和折射定律，其推论试验的结果相符。但牛顿等人仍然坚持微粒说，不承认惠更斯原理和包络作图法的正确与实用性。而在之后的一个世纪，也未有很著名的学者对惠更斯的波动说理论进行深入的研究。3.1.4 暗淡的十八世纪 在 17 世纪，以胡克、惠更斯为代表的波动说派和以牛顿为代表的微粒说派两派之间
15、展开了漫长而激烈的争论，但由于此时的胡克、惠更斯、牛顿都没有形成很完整的理论，都不能完全的反驳倒对方。而在争论中，微粒说占据巨大优势主要有以下四点：1、在波动说与微粒说争论中，研究机械运动的经典力学在牛顿和其他科学 青岛大学本科毕业论文（设计） 7家的探索下已经形成了较为完善的科学体系，使人们逐渐建立起机械唯物论的观点，而微粒说在解释光的性质方面，推导定律时显得简洁明了，非常易于人们接受，因此微粒说处于有利地位。2、波动说的体系不够完整，没有很严密的计算体系，理论上还存在巨大的缺陷。而以太矛盾的性质也让依赖于以太说的波动理论失去说服力。3、牛顿的经典力学理论被不断地应用于物理理论与实践中，体现出巨大的威力与影响力，其思想容易被接受了机械唯物论人们所接受。4、当时的物理实验水平不高，不能对微粒说和
