牛顿支持光的波动说

我们的世界到处充满了光，光在人们的心目中，永远代表着生命、活力和希望，更由此演绎了数不尽的故事与传说。从古埃及的阿蒙（拉Ra），到中国的祝融；从北欧的巴尔德，到希腊的阿波罗；从凯尔特人的鲁，到拜火教的阿胡拉·玛兹达，这些代表光明的神袛总是格外受到崇拜。

可是，要我们说出光是什么却不容易。你怎么能看见眼前的这页文字？怎么能尽赏窗外的蓝天白云？是像恩培多克勒认为的那样，火元素从眼睛里喷出到达物体，我们才得以看见事物；还是柏拉图认为的有三种不同的光，分别来源于眼睛、被看到的物体以及光源本身，而视觉是三者综合作用的结果；抑或是毕达哥拉斯和牛顿所想的那样，是由物体发射或反射的一束粒子流，被我们眼睛所接受……？光的本性是什么？它一直就是一个困扰着人类、久盛不衰的话题。

一直到17世纪中叶，对光的研究还都是零星的、唯象的，直到牛顿和惠更斯等人的工作之后，才把光学引上发展的道路。但是，却形成了两种对光本性的不同认识：牛顿主张的微粒学说和惠更斯坚持的波动学说。17世纪中期，正是科学革命到来之前的黎明，谁也不会预见到这碰撞在一起的两朵火花在以后的两百余年间将要引发的一场场熊熊烈火。

微粒学说认为，光是由质量极小的沿直线传播的弹性微粒所组成，牛顿用他那万能的力学理论来说明光现象，比如遇到镜面会像弹性小球那样反弹，发生反射现象，进入水中会受到介质的拉力从而使运动方向改变发生折射等。波动学说认为，光不是一种物质粒子，而是由于介质的振动而产生的一种波，在数学理论方面同样具有很高天分的惠更斯提出了后来以他的名字命名的原理，为他的波动学说创造了一套确定波传播方向的方法。根据这一理论，惠更斯证明了光的反射定律和折射定律，也很好地解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿环”现象。惠更斯的波动理论虽然尚显粗略，但是所取得的成功却是突出的。应该说两个理论登场的初期，双方力量均衡，无法判别孰优孰劣。

然而，光波动学说的优势在科学巨人牛顿面前注定要成为昙花一现的泡沫。1704年，牛顿出版了他的巨著《光学》。书中牛顿不仅提出了反驳惠更斯观点的理由，同时还把他的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，为微粒说建立了强大的理论基础。牛顿从粒子的角度解释了牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象，驳斥了波动理论，分析了用波动理论无法解释的问题。牛顿还从波动对手那里吸取了精华，比如将波的一些概念如振动、周期等引入微粒说，从而很好地解决了微粒说原本存在的棘手问题。

此时的牛顿，已经成为科学史上神话般的人物，在欧洲各地，人们对他的力学体系顶礼膜拜，他的影响达到前所未有的顶峰。而波动说一方在惠更斯之后还没有一个挑得起大梁的人物可以替代，且波动的理论缺乏数学基础，尚不够完善，所以很快就遭到了毁灭性的打击，就此偃旗息鼓。第一次波粒战争就这样以波动的退却而告终，战争的结果是微粒说占据了物理学界的主流。

时光如白驹过隙，弹指间百年的光阴悄然滑落，在这一个世纪中，牛顿理论体系获得了巨大的成功。科学中几乎每一个重大发现都是对牛顿自然哲学及他的科学纲领的支持，都在证实着牛顿的自然观，而他所支持的光的微粒说被奉为金科玉律早已深植人心，以至于人们几乎都忘却了当年它还有对手存在。1773年，一位再度引发革命的重要人物——托马斯·杨诞生于英国米尔沃顿，杨从小聪慧过人，博览群书，在学习医学时，他研究了眼睛的构造和其光学特征，在涉及不同颜色光视觉问题时，杨对光学进行了深入的思考和研究。面对牛顿如日中天的气势，杨对延续了一个世纪的微粒说勇敢质疑，于1800年发表了《关于光和声的实验和问题》的论文。他说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我遗憾地看到他也会出错，而他的权威也许阻碍了科学的进步。”在论文中，他把光和声进行类比，认为光是以太流中传播的弹性振动，提出了否定微粒说的几个理由。在经过百年的沉默之后，波动说终于重新发出了呐喊。

1807年，杨在他的论文中描述了那个著名的双缝实验。杨的实验手段极其简单，把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前，这样就形成了一个点光源，在其后面再放一张开有两道平行狭缝的纸张，从小孔中射出的光穿过两道狭缝投射到屏幕上，就会形成一系列明暗交替的条纹，这就是今天众所皆知的干涉条纹。双缝干涉这个简单巧妙的实验所揭示的现象证据确凿，观察屏上明暗相间的条纹骄傲地向世界昭示着光的波动性。而微粒说无论怎样努力，都难以说明两束光叠加在一起怎么会形成黑暗条纹，波动的理由却是简单而令人信服的，两条狭缝距离屏幕上某点的距离差是波长的整数倍时，两列光波正好互相加强，在此形成亮带；而当距离差刚好是半波长的奇数倍时，两列波就正好互相抵消，这个地方就变成暗带。作为科学史上最经典的实验之一，双缝干涉实验紧紧抓住了物理学家眼中最美丽的科学灵魂，用最简单的仪器和设备，发现最根本、最单纯的科学规律，把人们长久的疑惑一扫而去。经典的实验就像是一座座历史丰碑，展示着科学发展的历程。

随后法国物理学家菲涅耳的加入为波动说注入了新的能量，菲涅耳以光波相干叠加的思想补充了惠更斯原理，认为波面上各点发出的子波彼此相干，在空间相干叠加产生干涉，这给予惠更斯原理以明确的物理意义。菲涅耳从横波观点出发，以严密的数学推理，极为圆满地解释了光的衍射问题，并用半波带的方法定量地计算了单缝、圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射条纹。他的理论体系洋洋洒洒，天衣无缝，完美无缺，不仅让他一跃成为可以和牛顿、惠更斯比肩的光学界的传奇人物，而且为第二次波粒战争的波动一方添加了一枚必胜的砝码，新的波动学说建立起来了，微粒学说转向劣势。

最后的较量是在光速问题上，根据微粒学说，光在介质中（水、玻璃等）的速度应该比真空中的光速要快，而波动论认为正好相反，这个速度应该比真空中要慢。不幸的是，微粒学说并没有等来转机，1850年，傅科向法国科学院提交了他关于光速测量实验的报告，测量结果显示水中光速值小于真空中的光速值，大约只有后者的3/4。这一结果彻底宣判了微粒说的末日，波动说终于取得了全面的胜利，登上了领袖的宝座，第二次波粒战争随着微粒说的战败而尘埃落定。

到19世纪中后期，麦克斯韦的电磁场理论及赫兹的实验结果，使光的波动理论上升到了一个崭新的高级阶段——光的电磁波动理论阶段。应用光的电磁理论，很好地解释了光的反射，折射，衍射，偏振，双折射等现象，电磁场理论预言的光压的存在也得到了实验的证实。人类对光的本性的探索，又前进了一大步。