光的波粒二象性

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1、光的波粒二象性人类对光的研究起源很早，但对光本质的认识经历了一个较漫长的过程。光究竟是波还是粒子？光的波动说与微粒说之争从十七世纪初开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共三百多年的时间。正是这种争论，推动了科学的发展，并导致了20世纪物理学的重大成就量子力学的诞生。战国初期伟大的思想家 、政治家，也是一位有卓越贡献的自然科学家墨子（生于公元前480-476年左右，卒于公元前420-390年左右）（左图）是墨家学派的创始人。墨家学派著作的总汇是墨子,其主要组成部分是墨经（右图），这是一部内容丰富、结构严谨的科学著作。墨经中记载了丰富的几何光学知识。墨子和他的学生做了世界上最早的“小孔成像

2、”实验，并对实验结果作出了光沿直线传播的科学解释，并用此原理解释了物体和投影的关系。古希腊数学家欧几里德（Euclide,公元前330-公元前275）（左图）在他的光学著作里总结了到他那时为止已有的关于光现象的知识和猜测。那时的人们已经知道，在眼睛和被观察物体之间行进的光线是直线；当光线从一个平面反射时，入射角和反射角相等。古希腊天文学家、地理学家和光学家托勒密（Clandius Ptolemaeus，约90168）（右图）最早做了光的折射实验。托勒密在他的最后一本重要著作光学中提出和说明了各种基本原理，他依靠经验发现了折射的规律，绘出了光线以各种入射角从光疏媒介进入水的折射表，但没有由此得出

3、精确的折射定律。英国科学家罗吉尔培根（Roger Bacon,1214-1292）（左图）在物理学方面，特别是对于光学的研究极为深刻，他通过实验研究了凸透镜的放大效果以及光的反向和折射规律，证明了虹是太阳光照射空气中的水珠而形成的自然现象。意大利著名美术家、科学家列奥纳多达芬奇(Leonardo da Vinci,1452-1519)（右图）以博学多才著称，他在光学、力学、数学和解剖学等方面都有不少创见或发明。他描述了光是如何通过不同表面反射的，眼睛是如何感觉反射并判断距离的，人类的眼睛是如何接受透视的，以及光投射在物体上是如何产生阴影的。德国天文学家和数学家约翰尼斯开普勒（Johannes

4、Kepler,1571-1630）(左图)对光的折射现象进行了深入的研究，并于1611年出版了折射光学一书。开普勒的研究表明，对于两种给定的媒质，小于30度的入射角同相应的折射角成近似固定的比，对于玻璃或水晶，这个比约为3:2。他还表明，这个比对于大的入射角不成立。开普勒试图通过实验发现精确的折射定律，他的方法虽然是正确的，却没有得到其中有规律性的联系，但开普勒的研究为后来斯涅耳得出折射定律起到了一定的启示作用。荷兰数学家威里布里德斯涅耳（Willebrord Snell Van Roijen 1591-1626）（右图）在总结托勒密、开普勒等前人的研究成果后做了进一步的实验。1621年，斯涅

5、耳在实验中注意到了水中的物体看起来象漂浮的现象，由此引出了他对折射现象的研究，并发现了光的折射定律，也称斯涅耳定律，但当时未做任何理论推导，虽然正确，却未正式公布。1637年，法国数学家、物理学家、哲学家笛卡儿(Rene Des cartes,15961650)（左图）在他的屈光学书中提出了著名的折射定律。他从一些假设出发，并从理论上进行了推导，即光的入射角与折射角的正弦之比为常数，由此而奠定了几何光学的基础。十七世纪中期，物理光学有了进一步的发展。1655年，意大利数学家格里马第（Francesco Maria Grimaldi，1618-1663）（右图）在实验中让一束光穿过两个小孔后照到

6、暗室里的屏幕上，他发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像，马上联想起了水波的衍射，于是格里马第提出：光可能是一种类似水波的波动，这就是最早的光波动说。格里马第认为，物体颜色的不同，是因为照射在物体上的光波频率的不同引起的。格里马第的实验引起了英国物理学家胡克（Robert Hooke，1635-1703）（左图）的兴趣。他重复了格里马第的工作，并仔细观察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉。他判断，光必定是某种快速的脉冲，提出了“光是以太的一种纵向波”的假说。根据这一假说，胡克也认为光的颜色是由其频率决定的。他在1665年出版的显微术（Micrographia）一书中明确地支

7、持波动说。这本著作很快为胡克赢得了世界性的学术声誉，由于他的加入，波动说似乎也在一时占了上风。英国物理学家、数学家和天文学家牛顿(Isaac Newton,1642-1727)（右图）以极大的兴趣和热情对光学进行研究。1666年，牛顿在家休假期间用三棱镜进行了著名的色散试验。一束太阳光通过三棱镜后，分解成几种颜色的光谱带，再用一块带狭缝的挡板把其他颜色的光挡住，只让一种颜色的光再通过第二个三棱镜，结果出来的只是同样颜色的光，由此发现了白光是由各种不同颜色的光组成的。为了验证这个发现，牛顿又设法将几种不同的单色光合成白光，并且计算出不同颜色光的折射率，精确地说明了色散现象，揭开了物质的颜色之谜，

8、物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。公元1672年，牛顿把自己的研究成果发表在皇家学会哲学杂志上。牛顿的分光试验使几何光学进入了一个新的领域：物理光学。牛顿提出了光的“微粒说”，认为光是由微粒形成的，并且走的是最快速的直线运动路径。荷兰物理学家、天文学家、数学家克里斯蒂安惠更斯（Christian Huygens,1629-1695）（左图）是与牛顿同一时代的科学家。惠更斯发展了光的波动学说，在1678年给巴黎科学院的信和1690年发表的光论一书中都阐述了他的光波动原理，即惠更斯原理他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种弥漫媒质（“以太”）微粒，每个受激微粒都变成一

9、个球形子波的中心他从弹性碰撞理论出发，认为这样一群微粒虽然本身并不前进，但能同时传播向四面八方行进的脉冲，因而光束彼此交叉而不相互影响，并在此基础上用作图法解释了光的反射、折射等现象。惠更斯提出了光波面在媒体中传播的惠更斯原理，打破了当时流行的光的微粒学说。牛顿的“微粒说”与惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论，并由此而产生激烈的争议和探讨，科学家们就光是波动还是微粒这一问题展开了一场旷日持久的拉锯战。因牛顿在学术界的权威和盛名，“微粒说”一直占据着主导地位。英国物理学家托马斯杨（Thomas Young,1773-1829）（左图）对牛顿的光学理论产生了怀疑。杨氏在1800年写成的论

10、文关于光和声的实验和问题中，把光和声进行类比，因为二者在重叠后都有加强或减弱的现象，他认为光是在以太流中传播的弹性振动，并指出光是以纵波形式传播的。他同时指出光的不同颜色和声的不同频率是相似的。在经过百年的沉默之后，波动学说终于重新发出了它的呐喊；光学界沉闷的空气再度活跃起来。 1801年，杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。杨氏在英国皇家学会的哲学会刊上发表论文，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。1803年，杨氏在物理光学的实验和计算论文中根据光的干涉定律对光的衍射现象作了进一步的解释。他认为衍射是由直射光束与

11、反射光束干涉形成的，虽然这种解释不完全正确，但在波动学说的发展史上有着重要意义。 杨氏的理论激起了牛顿学派对光学研究的兴趣。 1808年，法国著名的天文学家和数学家拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace,1749-1827）（左图）用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说。1809年，法国物理学家及军事工程师马吕斯（Etienne Louis Malus,1775-1812）（右图）在试验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，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利证

12、据。1811年，苏格兰物理学家布儒斯特（David Brewster,1781-1868）(左图)在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。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。 面对这种情况，杨氏对光学再次进行了深入的研究，1817年，他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法，提出了光是一种横波的假说，比较成功的解释了光的偏振现象。吸收了一些牛顿派的看法之后，他又建立了新的波动说理论。杨氏把他的新看法写信告诉了牛顿派的法国科学家阿拉果(Dominique Francois Jean Arago,1786-1853)（右图）。阿

13、拉果早年遵循微粒说观点研究光学，认为光和热、电、磁一样，都是由无重量的微粒构成的流体，它们受物质分子的短程引力和斥力的作用，产生反射、折射、双折射等各种光学现象；对分子相同的物质，折射率将和密度成正比。阿拉果在学习期间就与法国物理学家毕奥（Jean Baptiste Biot, 1774-1862）（左图）合作研究光在地球大气中的折射，以证明拉普拉斯在天体力学中提出的大气由氧和氮的同心环组成、密度随海拔变动的公式。阿拉果用实验证明，温度和压强影响大气折射，而空气温度及二氧化碳的含量可以忽略。马吕斯发现光的偏振现象后，阿拉果就用偏振光以不同的入射角度投向各气态、液态和晶态物质，结果发现了旋光现象

14、。1813年起阿拉果对微粒说的信仰发生了动摇，他参与测定了许多液体和固体折射率，发现根本不存在微粒说所述的和密度成正比的关系；此外，他还认识到杨氏1801年的干涉理论能更好地解释色偏振等实验事实。法国物理学家菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel，17881827）（左图）1815年就试图复兴惠更斯的波动说，但他当时还不知道杨氏关于衍射的论文，他在自己的论文中提出是各种波的互相干涉使合成波具有显著的强度。后来阿拉果告诉了他杨氏新提出的关于光是一种横波的理论，从此菲涅耳以杨氏理论为基础开始了他的研究。1819年，菲涅耳成功的完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验，继杨氏干涉实验之后再次证明了光的波动说。在对光的传播方向进行定性实验之后，非涅耳与转向波动说的阿拉果一道建立了光波的横向传播理论。 1814年，德国天文学家夫琅和费（Joseph Von Fraunhofer,17871826）（右图）在重复做牛顿分解太阳光的实验时，在一间小黑屋子的窗板上开了一条狭缝，让太阳光通过这条缝射入屋子里，成为一条扁扁的光束，再让光束经过三棱镜，变成了宽大的扇形落到对面的白墙上，成为从红到紫的光带，他意外地发现了太阳光谱中的一些重要现象。1821年夫琅和费在波动学说的基础上导出了从衍射图形求波长的关系式。新的波动学说牢固的建立起来了，微粒说开始转向劣势。