1、光波動學說的興起光波動學說的興起摘 要： 光的世界,五彩繽紛 . 人類對光的熟悉經受了由現象到本質、由簡潔到復雜、由個別學問積存到形成光學學問結構等一系列循序漸進、螺旋上升的過程 . 在不同時代,光學有著不同進展周期和學問結構,隨著人類對自然學問的探究和科學技術的進展,光學學問結構也不斷更新和完善,人們對光的熟悉也在不斷變化著. 本文爭論光波動學說從萌芽到興起的過程,有益于加深人們對光的本性熟悉,對我們形成科學思維才能也有很大的幫忙 . 關鍵字：光 光波動說 光粒子說 興起The rise of wave theory of light Abstract ：Light of the world

2、, is colorful. Mankinds understanding of light experienced by the phenomenon to the nature, from simple to complex, the accumulation of knowledge by the individual knowledge structure to form a series of progressive optics, screw up the process. At different times, with different development of opti

3、cal cycle and the knowledge structure, with the nature of human knowledge, and science and technology in the development of optical knowledge structure update and improve, peoples understanding of light changing. In this paper, from the embryonic to the rise of wave theory of light of process benefi

4、cial to deepen understanding of the nature of light, form a scientific thinking on our ability to be very helpful.Keywords: light wave theory of light paticle theory of light rise 1 光波動學說的興起目 錄1 人類早期對光的熟悉和爭論 . 32 光波動學說的萌芽時期 . . 33 光微粒說和光波動說并存的時期 . 43.1 光微粒說與波動說的思想淵源 . 43.2 微粒說和波動說的對立 . 53.3 微粒說先占統治位

5、置 . 74 光波動說的復興及其與微粒說的最終較量 . 74.1 托馬斯 楊的對波動說的爭論和奉獻 . 74.2 菲涅爾與泊松亮斑 . 94.3 光波動說的成功 . 11 5 光波動學說的興起和穩固 . 126 對科學家探究出光波動說過程的總結和致敬 . 132 光波動學說的興起1 人類早期對光的熟悉和爭論古代人對于光現象的記載和爭論是和日常生活、觀看天象、占星問卜等同時 開頭的 ,因此光學的起源也和力學、熱學一樣,可以追溯到二、三千年前 .我國的墨經就記載了很多光學現象,例如投影、小孔成像、平面鏡、凸面鏡、凹面 鏡等等 .西方也很早就有光學學問的記載,歐幾里得（Euclid,公元前約 330

6、275）的反射光學（Catoptrica）爭論了光的反射,阿拉伯學者阿勒哈增（ Al-Hazen ,9651038）寫過一部光學全書,爭論了很多光學現象 .由于光的物理本性不象力 的本性那樣比較簡潔為人們熟悉,因此古代光學基本上停留在對幾何光學現象的 描述與總結上,作為一門科學,進展比較緩慢從光學器具看,中國的青銅鏡早 就應用,而玻璃和琺瑯在埃及、 希臘、羅馬發覺較早柏拉圖學園（ 428 348 BC）的教學內容中就已有光的直進和反射角與人射角相等的內容（反射定律的創造者 已不行考）歐幾里得（ Euclid ,約 330275 BC）在光學一書中說： “ 我 們假想光是直線進行的,在線與線之間

7、仍留出一些間隙光,光線自物體到人眼成 為一個錐體,錐頂就在人眼,錐底在物體只有被光線遇到的東西,才能為我們 觀察” 這就是“ 流出論” 的依據但原子論者就主見一切感覺都是從物體發出的 物質流引起的亞里士多德介于二者之間,主見“ 視覺是在眼睛和可見物體之間的中介者運動的結果”總體看來,人類早期不乏對光的一些正確熟悉,但整體上并沒有形成一個理性的科學體系 . 2 光波動學說的萌芽時期17世紀中期,已經創造并且制造了望遠鏡、顯微鏡等光學儀器,發覺了光的直線傳播規律,光的獨立傳播定律,光的反射和折射定律,費馬原理等規律,人們已熟悉了光的幾何性質,初步建立了幾何光學學問的基本結構 .與此同時,人們又發覺

8、了一些違反幾何光學學問的現象.意大利的格里馬爾迪（ F.M.Grimaldi ,公元16181663）通過觀看放在光書中小棍子的影子發覺衍射現象和雙光干涉 .1669年,丹麥科學家巴塞林 公元16251698發覺光的雙折射, 這些現象的發覺在光學進展史上具有重大意義,由于當時已有的幾何光學學問說明這些現象遇到了極大地困3 光波動學說的興起難,它迫使人們對光的行為和本性進行新的熟悉 .格里馬爾迪為了說明衍射及雙光干涉現象,假定光是以極快速度傳播、能夠 作波浪式動作的流體 .英國物理學家胡克 （HooK Robert,公元 16351703）主見光 是一種振動 .他指出：在勻稱媒質中,光的振動“

9、在各個方向上都以相等速度傳播,于是發光體的每一脈沖和振動都必需形成一個球面,這個球面將不斷擴大,猶如投石于水中引起的越來越大的球狀波一樣.” 荷蘭物理學家惠更斯是波動說的創立者,他在 1678 年論光中明確指出： “ 光同聲音一樣,是以球面波傳播的 .這種波,同石子投在安靜的水面上所形成的波是相像的.” 他提出惠更斯原理,形成了比較完整的惠更斯波動理論 . 惠更斯波動理論很好的說明了反射折射以及雙折射現象,同時說明干涉和衍射現象也獲得了肯定的成功.但是由于時代的限制,惠更斯波動學說有很大的缺陷 .在惠更斯時代,人們只知道縱波,因此這種理論不能解 釋偏振現象 .此外,由于 17、18 世紀經典力

10、學已經建立并取得很大的成就,人們總 想著用經典力學的概念描述并說明光學現象,因而光的波動學說沒有被立刻承認,直到一百多年后,到19 世紀初,由于托馬斯 楊（T.Young 公元 17731829）和菲涅爾（ A.Fresne 公元 17881827）等人的工作才使光的波動說重新興盛并向前 進展. 3 光微粒說和光波動說并存的時期3.1 光微粒說與波動說的思想淵源關于對光的本性這一古老之謎的熟悉要追溯到古希臘時代 .古希臘杰出的原 子論者德漠克利特（ Democritus,公元前 460 一前 370）最早提出光是物質微粒的 觀點 .他認為視覺是由物體射出的微粒進入眼睛而引起的 .古希臘的男一個

11、原子論者伊壁鳩魯（ Epicurus,公元前341 一前 270）和古羅馬的原子論者盧克來修（Lucretius,公元前 99 一前 55）堅持這一學說 .盧克來修說：“ 從任何我們觀察的 東西,必定永久有很多原初物體流出來,被發放出來；被散布到四周各處,這些物體撞擊眼睛,引起了視覺.” 量子論者的這一觀點是后來把光看作某種物質實體的粒子說的萌芽 .古希臘杰出的思想家亞里士多德 （Aristotle,公元前 384 一前 322）4 光波動學說的興起認為,視覺是在眼睛和可見物體之間的中間介質運動的結果 .他認為這種中間介質有讓光通過的可能性（潛在才能） ,即是透亮的,光就把這種可能性變為現實；

12、所以,沒有中間介質就沒有視覺.在這個理論中包含著后來的光的波動說的思想. 學進展到了 17 世紀,法國哲學家、 物理學家、數學家笛卡兒（Rene Descartes,15961650）提出了對光的本性的看法.英籍德國物理學家玻恩（Max Born ,18821970）和美國物理學家沃耳夫（EmilWolf,1922 一）在他們的光學原理的歷史引言中說：“ 在新哲學的創立者當中,笛卡兒可以提出來說一說,由于他根據他的形而上學觀念系統地陳述了關于光的本性的見解 .笛卡兒認為,光在本質上是一種壓力,在一種完全彈性的,布滿一切空間的介質（以太）之中傳遞,他并且把顏色的差異歸因于這個介質中粒子的不同速度

13、的旋轉運動 .” 笛卡兒對光的本性沒有明確而統一的觀點.他在他的著作光的折射中提出了一個比如：光通過介質傳入人眼,就象機械脈沖沿著手杖傳入盲人的手和腦中一樣,并沒有某種物質性的東西傳入眼睛使我們看到光和色.笛卡爾在這里強調了介質的影響和接觸作用,認為光是以太介質中某種壓力的傳播過程,所以可以把他算作波動論者 .但是同時笛卡兒又從光的微粒觀念中推導出反射定律與折射定律 . 3.2 微粒說和波動說的對立英國物理學家、天文學家胡克在他1665 年發表的放大鏡下微小物體的顯微術或某些生理學的描述 （以下簡稱 顯微術 一書中, 明確主見光是一種振動 . 同時他仍提出這種振動必定是短促的. 在爭論了光的直

14、線傳播和光速是有限的之后,他寫道：“ 在一種勻稱介質中這一運動在各個方向都以相等的速度傳播 . 所以發光體的每一個脈動或振動都必將形成一個球面. 這個球面將不斷地增大,就猶如把一石塊投入水中后在水面一點四周的環狀波膨脹為越來越大的圓圈一樣（盡管確定要快得多） . 由此可知,在勻稱介質中擾動起來的這些球面的一切部分與射線交成直角 . ” 可見,胡克實際上已接觸到波前或波面的概念 . 而經典物理學的奠基者牛頓基本上是主見微粒說 . 他依據光的直線傳播性質,提出光是微粒流的理論 .他認為這些微粒從光源飛出來,在真空式勻稱物質內由于慣性而作勻速直線運動 .早在 1672 年 2 月 6 日牛頓送交英國

15、皇家學會的一封信 “ 關于光和色的新理論”中,5 光波動學說的興起就提出了光的微粒說,這是牛頓提交給皇家學會的第一篇論文 , 也正是以這篇論文為起點 , 引發了牛頓的微粒說與惠更斯 Huo gens Christian , 1629 1695 、胡克的波動說之間的長達300 年的論戰 . 牛頓認為光線可能是由球形的物體所組成,并用這種觀念說明了光的直線傳播和光的反射折射定律 . “ 牛頓環” 現象是牛頓的一項重要發覺,從這一發覺中他提出并確立了光的周期性 . 他在光學中詳細地描述了這一試驗現象 . 當他把一個平凸透鏡放在一個雙凸透鏡上時,他觀看到一系列明暗相間的同心圓環. 壓緊玻璃體,轉變其間

16、空氣膜的厚度,又發覺了條紋的移動 . 他仍精確地測量了環的半徑,發覺環的半徑的平方構成一個算術級數 . 這里最重要的是對光的周期性的發覺. 牛頓這樣寫著；“ 有時我一連數了三十多次周期性變化的序列,在每一個序列中都包括一明一暗的環,但是由于它們太窄無法 數清晰 . ” 牛頓的精確觀看,原來是光的波動性的證明 . 他的測量也為確定各種色 光的波長供應了依據,但是他并未由此走向波動說,而是用他的光的微粒和以太 振動相結合的新觀點,說明了他發覺的牛頓環現象 . 胡克與牛頓爭辯時,提出不少問題,特殊是微粒說所不能說明的一些事例 .為 了回答胡克提出的問題,牛頓又進一步爭論,想方法如何來完善自己的假說和

17、理 論.由于牛頓對振動和波動過程有一個嚴格的明白并有一個嚴整的數學原理,所以 他在與胡克爭辯過程中,認為在自己的關于光的粒子結構的理論中,作出的結論 是正確的,但是他也說明作出這個結論并沒有確定確定,所以只能用兩個字來表 示：“ 可能” ；進而認為這個結論在極端的情形下,僅是自己學說的大致的結果,而不是它的基本前提 . 堅持光的波動說, 并想建立理論來說明它的是荷蘭物理學家惠更斯（Chsistisll Huygells, 16291695）. 惠更斯于 1678 年向法國科學院提交了光論這本著 作,該書于 1690 年出版 . 惠更斯以以下論據來駁斥牛頓的微粒說,他寫道：“ 假如 留意到光線向

18、各個方向以極高的速度傳播,以及光線從不同的地點甚至是完全相 反的地方發出時,光射線在傳播中,一條光線穿過另一條光線而相互毫不影響,就能完全明白這一點：當我們看到發光的物體時,決不行能是由于從它所發出的 物質,象穿過空氣的子彈和箭一樣,通過物質遷移引起的 .” 惠更斯在批判微粒說 時,提出了他的波動說 .他認為光是由發光體的微小粒子的振動在布滿于宇宙空間6 光波動學說的興起的介質“ 以太” 中的一種傳播過程,光的傳播方式象聲音的傳播方式一樣 . 3.3 微粒說先占統治位置17 世紀,光的波動理論處于萌芽階段；笛卡兒認為光是一種壓力,胡克卻說光是介質中的快速跳動（脈沖） ,這個波動說經過惠更斯的加工,得到了進一步的發揮,但仍舊是很粗略的 . 他沒有指出光現象的周期性,沒有提到波長的概念,更沒有確立相位的概念 . 他認為光波是縱波,不能說明偏振效應 . 雖然當時已發覺了干涉現象、衍射現象 , 但是波動論在對這些現象的說明上脆弱無力 . 相比之 下,