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光究竟是“粒子”还是“波”?

已有 3552 次阅读 2015-7-8 09:34 |系统分类:科普集锦|关键词:教育,历史,文化,科学| 文化, 教育, 历史, 科学

17世纪初,在人们对物理光学的研究过程中,光的本性问题成为了焦点。英国科学家牛顿提出了微粒说,荷兰科学家惠更斯则积极发展了波动说理论,双方由此开启了一场长达200余年的大论战。1695年7月8日,惠更斯的去世使得这场争论以牛顿的暂时胜利告一段落。今天,2015年7月8日,在惠更斯去世三百多年后,让我们重新阅读这两位伟大物理学家的著作,回顾科学史上这段精彩的争论。

光的本质究竟是波还是粒子?为什么光既不能像声波一样绕过障碍物而不产生影子,又不像粒子一样在交叉时发生碰撞而改变方向?


1. 光的波动学说与微粒学说的第一次交锋

1655年,意大利波仑亚大学的数学教授格里马第(Francesco Maria Grimaldi, 16181663年)设计了一个实验:让一束光穿过一个小孔后,照到暗室里的屏幕上,他发现光线通过小孔后的光影明显变宽。格里马第又设计了进一步的实验:让一束光穿过两个小孔后,照到暗室里的同一个屏幕上,却得到了有明暗条纹的图像。格里马第猜想,这种现象与水波十分相像,从而得出结论:光可能是一种能够做波浪式运动的流体,光的不同颜色可能是波动频率不同的结果。格里马第首先提出了“光的衍射”的概念,成为光的波动学说最早的倡导者。

约于1663年,英国科学家波义耳(R. Boyle, 16271691)指出,物体的颜色可能不是物体本身的性质,而是光照射在物体上产生的效果。他第一次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹。波义耳的这一发现与格里马第的说法不谋而合,成为后来研究者工作的基础。  

随后,英国物理学家胡克(Robert Hooke, 16351703)重复了格里马第的试验。他进行了观察肥皂泡膜上颜色的实验,并提出了“光是‘以太’的一种纵向波”的假说。根据这一假说,胡克也认为:光的颜色是由其波动频率决定的。 

牛顿(Isaac Newton,1643—1727)

发表《牛顿光学》,提出光的微粒学说


当时,牛顿也用极大的兴趣和热情对光学进行了研究。牛顿不仅擅长数学计算,而且能够自己动手制造各种设备和从事精细实验。1666年,牛顿采用三棱镜,进行了著名的色散试验:让一束太阳光通过第一枚三棱镜,出来的光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,只让一种颜色的光通过第二枚三棱镜,结果出来的只是同样颜色的光。牛顿发现了白光是由各种不同颜色的光组成的。这是牛顿对光学的第一大贡献。牛顿为了验证这个发现,设法把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,原来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。牛顿的研究成果于1672年发表在《皇家学会哲学杂志》上的论文《关于光和颜色的理论》,这是他第一次公开发表的论文。由于发现了白光的组成,牛顿认为无法消除折射望远镜透镜的色散现象,开始设计和制造了反射望远镜。1668年,他制成了第一架反射望远镜样机,这是牛顿对光学的第二大贡献。1671年,牛顿把经过改进的反射望远镜献给了英国皇家学会,名声大振,并被选为皇家学会会员。反射望远镜的发明奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。牛顿还观察到著名的“牛顿环”等光学现象。在牛顿的论文《关于光和颜色的理论》中,他提出了光的“微粒学说”,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。他认为,光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。在这篇论文里他用微粒学说阐述了光的颜色理论。


牛顿在剑桥大学时进行光学实验


关于光的本性的波动学说与微粒学说的第一次交锋,由“光的颜色”拉开了序幕。此后,胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。 

167226日,以胡克为主席,由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文《关于光和颜色的理论》基本上持以否定的态度。 

刚开始,牛顿并没有完全否定波动学说,也不偏执微粒学说。但在争论展开以后,牛顿就在很多论文中,对胡克的波动学说进行了反驳。1675129日,牛顿在《说明在我的几篇论文中所谈到的光的性质的一个假说》一文中,再次反驳了胡克的波动学说,重申了他的微粒学说。  

由于此时的牛顿和胡克都没有形成完整的理论,因此波动学说和微粒学说之间的论战并没有全面展开。但科学上的争论就是这样,一旦产生便要寻个水落石出。旧的问题还没有解决,新的争论已在酝酿之中了。

2. 光的波动学说与微粒学说的第二次交锋

波动学说的支持者,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。1666年,惠更斯应邀来到法国皇家科学院以后,开始了对物理光学的研究。在他担任院士期间,惠更斯曾去英国旅行,并在剑桥会见了牛顿,二人彼此十分欣赏,而且交流了对光的本性的看法。但此时惠更斯的观点更倾向于波动学说,因此他和牛顿之间产生了分歧。正是这种分歧激发了惠更斯对物理光学的强烈热情。回到巴黎之后,惠更斯重复了牛顿的光学试验。他仔细地研究了牛顿的试验和格里马第的实验,认为其中有很多现象都是微粒学说所无法解释的。

惠更斯(Christiaan Huygens,1629—1695)

发表《惠更斯光论》,积极支持光的波动学说


惠更斯认为:光是一种机械波;光波是一种靠物质载体来传播的纵波,传播它的物质载体是“以太”;波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。根据这一理论,惠更斯证明了光的反射定律和折射定律,也比较好地解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿环”实验。1678年,惠更斯向法国皇家科学院提交了他的光学论著《光论》。在《光论》一书中,他系统地阐述了光的波动理论。同年,惠更斯公开发表了反对微粒学说的演说。 1690年,他的《光论》出版发行。

冰洲石的双折射效应


就在惠更斯积极地宣传波动学说的同时,牛顿的微粒学说也逐步地建立起来了。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。与此同时,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,为微粒学说找到了坚强的后盾。  

为不与胡克再次发生争执,胡克去世后的第二年(1704年),牛顿的《光学》才正式公开发行。但在此时,惠更斯与胡克已相继去世,波动学说一方已无人应战。而牛顿由于其对科学界所做出的巨大的贡献,成为了当时无人能及的一代科学巨匠。随着牛顿声望的提高,人们对他的理论顶礼膜拜,重复他的实验,并坚信他的结论。整个18世纪,几乎无人向微粒学说挑战,也很少再有人对光的本性作进一步的研究。



(《惠更斯光论》和《牛顿光学》从两种对立的角度阐述了光的本质,将二者对比阅读,可以发现伟大科学家在探索世界本质时,其个人特点对认知的影响。1695年7月8日惠更斯去世,不久胡克去世,牛顿发表《牛顿光学》,使微粒说一时占据科学舞台中心。然而,历史最终给出的裁决是将二者统一了起来,使他们的努力都没有白费!换句话说,在攀登科学高峰的道路上,没有谁可以压倒谁,真理是客观的!)

【本期编辑:陈静、吴卫华】

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