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1、光的波粒二象性的认知过程摘 要 光的波动学说与微粒学说之争从十七世纪初笛卡儿提出的两点假说开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，即光既具有波动特性，又具有粒子特性。牛顿、胡克、惠更斯、托马斯杨、菲涅耳等多位著名的科学家都是这一论战双方的主辩手。光的波粒二象性的提出与确立历经曲折，科学家们为其证实过程付出了巨大努力，正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱。关键词 波粒二象性 波动性 粒子性 波动学说 微粒学说The cognitive process of wave-particle duality of light.Abstract The struggle of wa
2、ve theory and particles theory starts from the 17th century because of the two hypothesis of Descartes.And end in early 20th century with the establishment of wave-particle duality of light. Newton, Hooke, Huygens, Thomas. Yang, Fresnel and so many famous scientists are involved in this debate. The
3、cognitive process of wave-particle duality of light is tortuous.Scientists have made great efforts to confirm it.Without their efforts, the essence of light does not be opened. Key words wave-particle duality ; particles theory; wave theory; volatility ; particle 人类对光的研究起源很早，但对光的本质的认识经历了一个比较漫长的过程。光究
4、竟是波还是粒子备受争议。光的波动说与微粒说之争也是持续了三百年，最后两者统一。也是这种争论，推动了科学的发展，致使量子力学的诞生。1 光的波动性1.1 波的衍射现象 1655年，意大利波仑亚大学的数学教授格里马第在观测放在光束中的小棍子的影子时，首先发现了光的衍射现象。据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。 格里马第设计了一个实验：让一束光穿过一个小孔，让这束光穿过小孔后照到暗室里的一个屏幕上。他发现光线通过小孔后的光影明显变宽了【1】。格里马第进行了进一步的实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，这时得到了有明暗条纹的图像。他认为这种现象与水波十分相像，从而得出结论：光是一种能够
5、作波浪式运动的流体，光的不同颜色是波动频率不同的结果。1.2 波的干涉现象1801年，英国物理学家托马斯杨在实验室里成功地观察到了光的干涉两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象【2】。他提出了干涉原理并首先做出了双狭缝干涉实验，同时还对薄膜形成的彩色作了解释。1811年，D.F.J.阿喇戈首先研究了偏振光的干涉现象。1.3 波动学说的建立 格里马第第一个提出了“光的衍射”这一概念，是光的波动学说最早的倡导者。在格里马第第一个提出了“光的衍射”这一概念不久之后的英国物理学家胡克重复了格里马第的试验，并通过对肥皂泡膜的颜色的观察提出
6、了“光是以太的一种纵向波”的假说。而波动说的支持者，荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯继承并完善了胡克的观点，提出了波动学说比较完整的理论。后经过杨氏干涉实验，在1882年，德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象。之后，德国另一位物理学家施维尔德根据新的光波学说，对光通过光栅后的衍射现象进行了成功的解释。至此，新的波动学说牢固的建立起来了。2 光的粒子性2.1 光电效应 光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在
7、物体内部，称为内光电效应。1887年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再一次被证明。2.2 微粒学说的建立 在惠更斯积极的宣传波动学说的同时，牛顿的微粒学说也逐步的建立起来了。牛顿修改和完善了他的光学著作光学。基于各类实验，在光学一书中，牛顿一方面提出了两点反驳惠更斯的理由：第一，光如果是一种波，它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会产生影子；第二，冰洲石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质，波动说无法解释其原因。另一方面，牛顿把他的物质微粒观推广到了整个自然界，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【3】。3 光的波粒二象性的建立3.1 波动学说与微粒学说的相争 笛
8、卡尔提出的两种假说：一种认为，光是类似于微粒的一种物质；另一种认为光是一种以“以太”为媒质的压力。虽然笛卡儿更强调媒介对光的影响和作用，但他的这两种假说已经为后来的微粒说和波动说的争论埋下了伏笔。在牛顿用微粒说阐述了光的颜色理论后，第一次波动说与粒子说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了【4】。牛顿在很多论文中对胡克的波动说进行了反驳。但由于此时的牛顿和胡克都没有形成完整的理论，因此波动说和微粒说之间的论战并没有全面展开。 在惠更斯与胡克已相继去世后，波动说一方无人应战。整个十八世纪，几乎无人向微粒说挑战，也很少再有人对光的本性作进一步的研究。英国著名物理学家托马斯杨开始对牛顿的光学理论产生了
9、怀疑。1803年，杨氏根据光的干涉定律对光的衍射现象作了进一步的解释，认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的。但由于他认为光是一种纵波，所以在理论上遇到了很多麻烦【5】。虽然杨氏的理论以及后来的辩驳都没有得到足够的重视、甚至遭人毁谤，但他的理论激起了牛顿学派对光学研究的兴趣。十九世纪初光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展。1815年法国物理学家菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，有力的证明了光的波动理论。波动学说取得胜利【5】。1882年，德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象。在他之后，德国另一位物理学家施维尔德根
10、据新的光波学说，对光通过光栅后的衍射现象进行了成功的解释。至此，新的波动学说牢固的建立起来了。微粒说开始转向劣势。 十九世纪中后期，在光的波动说与微粒说的论战中，波动说已经取得了决定性胜利。但人们在为光波寻找载体时所遇到的困难，却预示了波动说所面临的危机。3.1 光的波粒二象性1905年3月，爱因斯坦在德国物理年报上发表了题为关于光的产生和转化的一个推测性观点的论文他认为对于时间的平均值，光表现为波动；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示微观客体波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。1921年，爱因斯坦因为光的波粒二象性这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。在新的事实与理论面前，光的波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。参考文献【1】祝之光.物理学M.第三版.北京：高等教育出版社，2009：359-360.【2】祝之光.物理学M.第三版.北京：高等教育出版社，2009：342.【3】孔令文.论述光的波粒二象性N.邯郸师专学报，2000：（03）.【4】周公度，段连运.结构化学基础M.第四版.北京：北京大学出版社，2008：3.【5】祝之光.物理学M.第三版.北京：高等教育出版社，2009：335.
