光学发展中的哲学问题与思想

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1、自然辩证法课程论文光学发展中的哲学思想田济铭 201521050303 光学发展中的哲学问题与思想论文摘要：光学作为物理学的一个分支， 它也符合人们对物理现象的认识的规律， 即在观察和实验的基础上，对物理现象进行分析，进而提出假说，形成理论。当 理论和实践相一致时， 就循着这条路走下去， 发现新的东西使理论不断完善；当 理论和实践相矛盾时，就修正、补充理论，使之与实践尽量相符合，或放弃原来 的理论而建立新的理论， 并不断反复经受实践的检验4 。在物理学的发展史上， 人们对“光本性”的认识，就是沿着这条曲折的道路前进的。关键字： 光学，哲学思想，实践，矛盾，理论。一光学工程专业简介我的专业是光学

2、工程，光学工程简介：1997 年，在我国光学界泰斗王大珩院士 的建议下，国务院学位委员会同意将“光学工程”列为工学一级学科。作为一门 理工交叉的学科， 光学工程学科的理论体系得到了不断地完善与发展，如今光学 工程已发展为以光学为主，并与信息科学、能源科学、材料科学、生命科学、空 间科学、精密机械与制造、 计算机科学及微电子技术等学科紧密交叉和相互渗透 的学科。它包含了许多重要的新兴学科分支，如激光技术、光纤通信、光存储与 记录、光学信息处理、光电显示、全息和三维成像、薄膜和集成光学、光学与光 纤传感、光探测、激光材料处理和加工、弱光与红外热成像、光电测量、现代光 学和光电子仪器及器件、 光学遥

3、感技术以及综合光学工程技术等。这些分支不仅 使光学工程学科产生了质的飞跃， 而且推动建立了一个规模迅速扩大的前所未有 的现代光学和光电子产业。 一说起光学这个专业我们首先要问的一定是，什么是光，光是什么？这个关于 光本质的问题， 是人类自然科学历史上最有名的几场大辩论之一，其参与人数之 多，覆盖面之广，令人咋舌。而这一延续的好几百年的大辩论，从本质上去看正 是自然辩证法中人们认识新事物的过程，即在观察和实验的基础上， 对物理现象 进行分析，进而提出假说，形成理论。当理论和实践相一致时，就循着这条路走 下去，发现新的东西使理论不断完善；当理论和实践相矛盾时，就修正、补充理 论，使之与实践尽量相符

4、合， 或放弃原来的理论而建立新的理论，并不断反复经 受实践的检验，人们对“光本性”的认识，就是沿着这条曲折的道路前进的。 而光学发展中的哲学思想我认为可以从以下三个方面来论述。二人们通过对光现象的感性认识结合实践得出光本质的一般规律光是人们接受外界信息的重要来源，光学的发展实际就是人们对光现象、光本质 的认识过程，人们对光的认识首先从感知开始的。我国春秋战国时，墨翟（公元 前 408-376 年）及弟子所著的墨经中，就记载着有关光的直线传播和光在镜 布反射等现象。如墨经的梁本第二十条，经云“景倒，在午有端。”经云： “景，光之人，煦若射；下者之人也高， 高者之人也下。 足蔽下光，故成景于上，

5、首蔽上光， 故成景于下。 ”这段文字是以描写一个针孔成像实验来说明光的直线自然辩证法课程论文光学发展中的哲学思想田济铭 201521050303 进行。按现代汉语来说：“光向人照去，好象箭射一样；从下面照到高处去了， 从高处照去的到下面去了。 足遮住了下面的光线所以成影在上面，头遮住了上面 的光所以成影在下面O ”“午”，是一纵一横相交之点，可作针孔照相匣上的小 孔讲，“两端”，就是光线经小孔所成的光束。这里毫无主观臆测，完全是由观 察得到的结果， 将这个现象上升到理论认识，就是说光是沿直线传播的。 这个记 载，比起欧几里德（公元前336-275 年）所著的光学一书中记录的，要早 一百多年，可

6、以算得上是世界上对光学 知识的最早记录。 公元 1100 年，阿拉伯人阿尔一海兹恩(Al 一 hazen)发明了人类历史上第一 个透镜，公元 1590 年琼森 (Jonsen) 和李普塞 (Lippershey)发明第一架望远镜和 十七世纪冯特 (Fontana) 发明第一架显微镜 1 。有了望远镜、 显微镜，拓宽了人 体功能， 对于科学的发展起到了促进作用。 人们对光学现象有了更深一步的认识。 当然，这段过程是一个相当缓慢的历史过程。人们通过对光的直线传播、 反射和 折射现象进行观察、实验，归纳出反射定律和折射定律，同时，在生产和生活需 要的推动下， 光的反射和透射也开始应用，并取得了成就。

7、 如这正体现出认识论 中理论和实践的辩证关系，这种关系在以后光学发展中无时不存在着。三. 任何事物都在发现矛盾和解决矛盾中发展的从十七世纪初， 人们发现了有与光的直线传播不相符的事实，这就提出了光究竟 是什么，即光的本性问题。这个事实首先由意大利人格里马第(FM Grimaldi ， 1618-1663) 观察到的，他发现在点光源的情况下，一根直竿投出的影子要比假 定光以直线传播所应有的宽度稍大一些，这就是说， 光不是严格按直线传播， 而 会绕过障碍物前进， 即以后说的光衍射现象， 这个现象的发现， 实际就是光的波 动理论的萌芽。 到十七世纪上半叶， 光的任何性质弄清了， 但对于视觉中的两个

8、基本特征亮度和颜色的观念还很模糊。这一类问题的提出， 促使人们加紧对光的研究。 十七世纪下半叶， 牛顿和惠更斯等把光的研究引向进 一步发展的道路。 1672 年牛顿进行了白光实验，发现白光通过棱镜时，会在光 屏上形成按一定次序排列的彩色光带光谱。于是他认为白光是由各种色光复 合而砀，各色光在玻璃中受到不同程度的折射而被分散成许多组成部分。反之， 把各种组成部分复合起来会重新得到原来的白光，进一步实验表明， 这些色光不 能再分解。 通过实验， 使这对颜解释摆脱了主观视觉的印象( 唯心主义 ) ，而上升 到客观度量的科学高度 ( 唯物主义 ) 。 此外，牛顿通过实验，还发现了一个惊人 现象：把曲率

9、半径很大 ( 几米) 的凸透镜放在平玻璃上， 当用白光照射它时， 则看 到在透镜和玻璃板接触点处出现一组彩色的同心圆环。当用单色光照射时， 所见 接触处出现一组明暗相同的同心圆环牛顿环，且不同的单色光对应的第一个 黑环所在处的透镜和玻璃问的空气厚度不同。在牛顿发现这些重要现象时， 根据 光的直线传播， 牛顿认为光是一种微粒流， 微粒从光源飞来， 在均匀物质中以力 学定律作直线运动，并容易解释光的反射，但解释牛顿环时，却遇到了困难，同 时这种假说也难以说明光线过障碍物之后所发生的衔射现象。关于光的微粒说和 波动说的斗争，在逐渐形成，这种斗争在以后的过程中，一方面各自发展，另一 方面时刻在剧烈斗争

10、， 一时这占上风， 一时另一个占上风。 由于牛顿当时已在物 理学界中声望较高， 而且他的微粒学说能解释光的许多现象，因此，有许多支持 者，这时，微粒说占优势。自然辩证法课程论文光学发展中的哲学思想田济铭 201521050303 惠更斯根据声和光某些性质的相似，他认为光不是微粒构成的，而是在“以太” 中传播的波。所谓“以太”，则是一种假想的弹性媒质，充满整个宇宙空间，光 的传播取决于“以太”的弹性和密度。在1690 年论光中，惠更斯创立波动 说，认为“光同声一样，是以球形波面传播的，这种波同把石子投在平静的水面 上所看到的波相似” 。运用他的波动理论中的次波原理，惠更斯不仅成功地解释 了反射和

11、折射定律， 还解释了方解石的双折射现象，但是，惠更斯没有把波动过 程的特性给予足够的说明，没有指出光的周斯性。他没有注意到 牛顿环，而牛顿本人却认为这是光的周期性的表现。在这一时期， 在以牛顿为代 表的微粒说占统治地位的同时，惠更斯的波动说提出来了， 可以说，这个时期是 几何光学向波动光学过渡的时期，是人们对光的认识逐渐深化的时期2 。 十八世纪，光的微粒说占优势，但波动理论却从没有停止对微粒说理论的斗争。 十九世纪，波动学体系逐渐形成。 杨氏(Yong) 和菲涅耳 (Fresnel)作了很大贡献。 杨氏圆满地解释了“薄膜的颜色”的现象和用双狭缝实验显示了光的干涉现象， 第一次测得光波的波长。

12、1815 年，菲涅耳用干涉原理补充了惠更斯原理，形成 了惠更斯一菲涅耳原理， 动用这个在的理圆满解释了光在均匀的各向同性的介质 中的直线传播。 而且还解释了光通过障碍物时所产生的衍射现象，成为波动光学 中的重要原理。在实验中人们又观察到了光的偏振和偏振光的干涉，为了解释 这些现象， 菲涅耳假定光是横波。 看来已相当圆满了。 但菲涅耳认为光振动是一 种连续介质以太的机械弹性振动，而机械的弹性横波只能产生于固体之中， 所以不得不把弹性固体的特性强加于以太。弹性横波在无限大的固体中的传播速 度 V同固体的切变模量N和密度 p 有下列关系： V=N p。 因为以太不妨碍各种 物体的运动，所以 p非常小

13、，同时为说明光的巨大的传播速度，又必须以N相 当大的数值， 为了解释光在各种不同介质中的不同速度，又必须认为以太的特性 在不同的特质是不同的； 在各向异性的介质中还需要有更复杂的假设。此外，还 必须给以太更特殊的性质， 才能解释光波中没有纵振动的现象。 这种密度无限小， 切变模量远大于钢， 并还要附加许多性质的以太是难以想象的。于是，暴露了光 的弹性理论的许多重大困难。 产生这种困难是由于弹性理论既没有指出光学现象 和其他物理现象间的任何联系， 也没能把表征介质性质的光学常数和介质的其他 参数联系起来。在1846 年法拉弟 (Faraday) 发现了光的振动面在磁场中发生旋 转，这表明光学现象

14、与磁学现象问存在内在的联系。1856 年，韦伯(Weber)发现， 光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值为3108m s， 这表明光学现象与电学现象有一定的关系。从这些发现中， 人们得到启示， 即必 须把光学现象和其他物理现象联系起来考虑，而不能孤立地研究光的本性。 事物矛盾是普遍联系的，如单纯考虑一方面，则不能完整地认识一个事物。 从这点出发，麦克斯韦 (CMaxwell)1860年指出，电场和磁场的改变不会局限 在空间的某一部分，而是以数值等于电荷的电磁单位与静电单位的比值速度传 播， 即电磁波以光速传播， 说明光是一种电磁现象。 这个理论被赫兹 (H R Hertz ，

15、 1857-1894) 在 1888 年证实，因此，也就确定了光的电磁理论基础。这对认识光 的本性方面，较之弹性固体理论前进了一大步。但麦克斯韦的理论还需要以太， 只不过以电磁的以太代表了机械的以太。 由于发现了折射率随光波波长而改变的色散现象，根据当时物质结构的观念， 可 以从电子的运动过程更深入地研究和光相互作用的过程。洛仑兹正是从这点出 发，在 1896 年创立了电子论，认为在外力作用下，电子作阻尼振动而产生光的 辐射。当光通过介质， 介质中的电子的固有频率和外场的频率相同时，则束缚的自然辩证法课程论文光学发展中的哲学思想田济铭 201521050303 电子使成，为较显著的吸收体。这样

16、，利用洛仑兹的电子论，不仅可以解释物质 发射和吸收光的现象， 还解释了光在物质中的传播过程，同时光的色散现象也得 到了较好的解释。 但是，洛仑兹的电子论在对炽热的黑体中能量按波长分布这样 的问题还不能给予令人满意的解释，说明人们在对光本性的认识还有片面性，并 且，如果洛仑兹关于以太的概念正确的话，则可将不动的以太选作参照系，以使 人们能在区别出绝对运动。事实上，1887 年迈克耳孙 (AAMichelson) 用干涉 仪测“以太风”却得到否定结论，因此，洛仑兹设想的以太的存在与迈克耳孙实 验不符，这表明洛仑兹电子论对光本性的确定是有片面性的。因为实践是检验真 理的唯一标准。当然，他的理论与18 世纪比起来，更接近于客观真理了，这正 是人们反复认识的结果。 20 世纪初，从洛仑兹电子论对炽热的黑体的辐射中能量按波长分布不能得到令 人满意的解释受到启发， 1900年，普朗克 (Maxplank) 从物质的分子结构理论 中借出了不连续性的概念， 提出了辐射的量子论， 他认为各频率的电磁