光本质的发现与证明

时间:2018-05-03  栏目:百科知识  点击:467 次

光本质的发现与证明

光本质的争论由来已久。

在17世纪已出现了关于光是一种“作用”还是一种“实体”的争论。后来逐渐发展成为两种学说,一种是以牛顿为代表的微粒说,简而言之即认为光是从光源发出的物质微粒流,在均匀的媒质中以一定的速度传播;另一种是以惠更斯提出的波动说为代表,认为光是一种振动形式,以波的形式向周围传播。

笛卡尔可以看成是波动说的第一人。但是他在谈到视觉效应时,把光比作脉冲波动,否认是一种微粒,而在解释光的折射和反射时又运用物体的碰撞运动来比喻,所以他在光本质的看法上是模糊的。

17世纪的伽森狄(1592~1645年)主张的是“微粒说”。1638年,他进一步研究了古代原子论思想,并认为物质本身是一种坚硬粒子组成的,这些粒子在各个方向上运动,数量极多。

原子论是当时人们认识物质结构的基础,而且几何光学在当时已相当成熟,所以人们很自然地把光看成是粒子流,这样就宣告了光的直线传播和反射定律,而且也可以与折射定律不发生矛盾。这种学说支持率很高。

17世纪末,惠更斯提出光的波动说。在发表的《论光》专著中,惠更斯认为光的运动不是物质微粒而是媒质的运动,即波动。(www.guayunfan.com)

惠更斯指出:“假如注意到光线向各个方向以极高的速度传播,以及光线从不同的地点甚至完全相反的地方发出时,光射线在传播中一条光线穿过另一条光线而相互毫不影响,就会完全明白这一点:当我们看到发光的物体时,绝不可能是由于从它所发出的物质,像穿过空气的子弹和箭一样,通过物质迁移所引起的。”

与声波、水波类比,惠更斯从光速有限性论证了光是球面波。

惠更斯原理是:在波的传播过程中,波阵面上的每一点都是新的水波的中心,这些水波的包络就给出了波阵面的新位置。

此学说很好地解释了光的反射与折射现象,以及方解石的双折射现象。后来,这被丹麦科学家巴尔多林在1669年证实。

但是惠更斯认为光是纵波,这样他无法解释光的干涉、衍射和偏振。并且,惠更斯否认光波具有周期性。

1665年,胡克在《显微术》一书中主张“光是一种振动”。他认为光是在稀薄的媒质中传播,是一种横向振动。

牛顿认为波动说的缺陷在于:

其一,光如果是波动,应该有绕射现象,但是没有观察到这种绕射;

其二,方解石双折射现象的解释并不完备确凿;

其三,波动说所依赖的介质很值得怀疑,至今不能证明。

牛顿其实不是完全排斥光的波动说。他认为当光投射到一个物体上时,可以激起物体中粒子的振动。牛顿还提出了光的周期性。

这两个学说有一个理论推导而互相矛盾:微粒说认为,光在折射时,密媒质中的光速大于疏媒质中的光速,波动说认为恰恰相反。因为实验条件无法满足,所以均不能证实。两种学说一直在争论。

在18世纪,可能由于牛顿的崇高地位,人们普遍认可微粒说。

然而在19世纪,托马斯·扬和菲涅耳使波动说复兴。

托马斯·扬是医学博士,兼通哲学、数学、考古、音乐以及绘画。

1800年,扬发表了《关于光和声的实验》论文。他提出否定微粒说,理由是:

第一,强光和弱光的速度是相同的,微粒说不能很好地解释这个现象;

第二,光线从一种介质进入其他介质时,部分发生反射,部分发生折射,微粒说十分牵强。

托马斯·扬在实验的基础上推导出了干涉原理,这就是波动光学的基本原理。干涉现象是波的共同特征。光的干涉即同一光源的同一部分上发出的两列光,在交迭的空间某些地方出现亮度与颜色的变化。

在1807年《自然哲学讲义》中,扬描述了双缝干涉的实验。由于学界气氛的落后与守旧,扬的重大发现没有引起重视,直到菲涅耳的波动说确立。

菲涅尔是法国物理学家,由于反对拿破仑,曾经入狱。1819年,他与阿拉哥一起证实了光是一种横波。有意思的是,权威院士泊松认为,如果光是波的话,把小圆盘放在光束中,则在小圆盘后面一定距离处的屏幕上盘影的中心点就会出现亮斑。

但泊松认为出现亮斑是很荒谬的事情。然而这恰恰成为菲涅耳理论正确性的证明。

菲涅尔与托马斯·扬交流经验,互相促进,打破了统治已久的微粒说。

此外,1669年和1808年,丹麦巴塞林纳斯和法国马吕斯引进了“光轴”与“光的偏振”,偏振表明光是横波。

波动说提出的新问题是光的媒介。人们一般认为光的媒介看不见摸不着,称之为以太。物理学家基于光是机械波的认识,不断修正和补充以太模型,但始终不理想。

麦克斯韦建立了统一的光学与电磁学理论,光被看作是电磁波,机械以太被电磁以太所替代。

以太问题始终是经典物理的一大隐患。

光的本质之争并没有澄清,一直到爱因斯坦。

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