光的本性，波粒

1669年9月，牛顿应邀将他的反射式望远镜送到了皇家学会，立刻引起了皇家学会的轰动。学会建议牛顿再制作一个更大的望远镜，以便参加不久将在伦敦举办的展览会。

1671年，牛顿制造的另一架功效更高的望远镜在伦敦展览时获得了巨大成功，国王查理二世对这架望远镜表现出了浓厚的兴趣。1672年1月，不满30岁的牛顿顺利地通过选举，成为皇家学会会员。2月19日，牛顿的题为《关于光和色的新理论》的一篇论文刊登在皇家学会会刊《哲学汇刊》上。

在这份著名的论文中，牛顿总结了他几年前对光学的研究成果，更重要的是，牛顿公布了近年来他的另一项光学发现——光的颜色理论。牛顿认为物体之所以会呈现特有的颜色，不是因为物体本身具有颜色。而是由于不同的物体具有不同的反射性能造成的。例如，红色的物体之所以显示红色，是因为这些物体能反射红光而同时将其他颜色的色光吸收了。

牛顿用他的颜色理论成功地解释了彩虹这一自然现象：当大雨过后，太阳出来时，阳光照射在飘洒于空中的无数细小的水珠上，水珠就像一个个透镜，将阳光分解为它所包含的各种色光，这样，一道美丽的彩虹便出现了。

牛顿的光色散实验及光的颜色理论将光学引入了一个新的发展时代——物理光学时代。物理光学的出现也使人们无法再回避一个问题，光的本性是什么？对于这一问题，当时学术界流行两种说法，一种是粒子说，一种是波动说。

近代物理学中首先提出光的粒子说的人是笛卡儿，他在《屈光学》一书中，猜测光可能是由大量微小的、有弹性的小颗粒所组成。有趣的是，笛卡尔同时也是蒙胧的波动概念的提出者，他认为光也许是一种以太介质中的波。

17世纪中期以后，意大利数学家格里马第明确指出光是一种具有周期性运动的波。为此他特别做了“衍射”实验来加以证明。与格里马第持有相同观点的还有英国皇家学会的另一位学者、物理学家胡克，他在《显微术》一书中，将笛卡尔与格里马第的理论加以总结，认为光是一种发生在以太介质中的纵波。

为了弄清光的本性，牛顿在剑桥对光学进行了3年的研究，最终形成了自己的学说。

牛顿坚信自己的颜色理论是正确的，同时他也坚信光是一种粒子。牛顿认为，只有用粒子说才能完美地解释光的颜色现象，既然自然光可以被透镜色散成独立的七种色光，那么组成自然光的自然是各种色光的微粒。牛顿还用粒子说进一步解释了光的色散。牛顿认为七种色光中，组成红光的微粒最大，组成紫光的微粒最小，这样自然光中的红光经棱镜色散后，它的偏折度最小，相反紫光的偏折度最大，正是因为组成七种色光的微粒大小不同，才形成了从红到紫的七种光带。

粒子说最具说服力的例子是解释光的发热现象。牛顿认为，光照射物体时，物体之所以能发热，是因为光中包含着大量高速运动着的微粒，当它们撞击物体时，物体就获得了微粒的能量而发热。

牛顿的粒子说发表之后很快便引起了争议，其中最主要的反对者是胡克和惠更斯，他们也都是英国皇家学会的会员。因此，光学史上最著名的光的本性之争在牛顿、胡克、惠更斯这三个当时科学界顶尖科学家之间发生了。

首先站出来抨击粒子说的人是胡克。他认为，只有把光看成波，才能完美地解释光的直线传播这一特性。因为，如果光是粒子组成的，那么光在传播时，其中的粒子必然会受地球吸引而向地球弯曲，最终导致光以曲线形式传播。

对于光的特性，惠更斯比胡克研究得还要深入。他认为光的波动与水波和声波相类似，是一种球面波，在传播时形成一个个球面向前传递。

除此之外，胡克和惠更斯用来批驳粒子说的共同武器是光的衍射现象。衍射现象最初是在人们观察水的涟漪时发现的。当人们观察到水波经过障碍物边缘或孔隙时，就在周围形成一圈圈像涟漪一样的环纹，这被称为水的衍射。衍射后来就被公认为是波的一种特性。当光的衍射现象被发现之后，光的波动性也顺理成章地得到了承认。

牛顿认为造成折射现象的原因也必然是光中的粒子在起作用。对于波动说提出的种种反对例证，牛顿用粒子说一一进行了反驳。他认为光之所以表现为直线传播，是因为光里的粒子具有相当大的速度，它们连续不断地由发光体发射出去，其力量足以抵消掉它受到的地球引力，因而光表现为直线传播的趋势。

牛顿用他的粒子说对光的衍射现象做了不同的解释，牛顿认为光的衍射现象更能证明光是一种微粒，这种现象的发生是因为光中的微粒经过物体边缘时受到物体引力的作用，因而在物体边缘产生了弯曲。

关于光的本性之争一直持续了很多年。最终，由于牛顿的粒子说能更好地解释光的各种现象，因而得到了公认。至此，17世纪70年代备受科学界关注的光的本性之争，以牛顿粒子说的胜利而告一段落。光的本性之争是光学发展史上的一次重要事件，它在客观上促进了光学研究的深入。

这场关于光的本性的争论，也带来了另一个结果——使牛顿在学术界声望日隆。正是由于牛顿无可比拟的威望，他的粒子说在他去世后的近100年中一直占据着统治地位。直到1801年，由于粒子说无法解释托马斯·杨的双缝干涉实验，波动说才又重新占了上风。后来到爱因斯坦等人的理论提出后，光的波粒二象性才被学术界广泛接受。