1、光波動(dòng)學(xué)說(shuō)的興起光波動(dòng)學(xué)說(shuō)的興起摘 要： 光的世界,五彩繽紛 . 人類對(duì)光的熟悉經(jīng)受了由現(xiàn)象到本質(zhì)、由簡(jiǎn)潔到復(fù)雜、由個(gè)別學(xué)問(wèn)積存到形成光學(xué)學(xué)問(wèn)結(jié)構(gòu)等一系列循序漸進(jìn)、螺旋上升的過(guò)程 . 在不同時(shí)代,光學(xué)有著不同進(jìn)展周期和學(xué)問(wèn)結(jié)構(gòu),隨著人類對(duì)自然學(xué)問(wèn)的探究和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展,光學(xué)學(xué)問(wèn)結(jié)構(gòu)也不斷更新和完善,人們對(duì)光的熟悉也在不斷變化著. 本文爭(zhēng)論光波動(dòng)學(xué)說(shuō)從萌芽到興起的過(guò)程,有益于加深人們對(duì)光的本性熟悉,對(duì)我們形成科學(xué)思維才能也有很大的幫忙 . 關(guān)鍵字：光 光波動(dòng)說(shuō) 光粒子說(shuō) 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(dòng)學(xué)說(shuō)的興起目 錄1 人類早期對(duì)光的熟悉和爭(zhēng)論 . 32 光波動(dòng)學(xué)說(shuō)的萌芽時(shí)期 . . 33 光微粒說(shuō)和光波動(dòng)說(shuō)并存的時(shí)期 . 43.1 光微粒說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)的思想淵源 . 43.2 微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)的對(duì)立 . 53.3 微粒說(shuō)先占統(tǒng)治位

5、置 . 74 光波動(dòng)說(shuō)的復(fù)興及其與微粒說(shuō)的最終較量 . 74.1 托馬斯 楊的對(duì)波動(dòng)說(shuō)的爭(zhēng)論和奉獻(xiàn) . 74.2 菲涅爾與泊松亮斑 . 94.3 光波動(dòng)說(shuō)的成功 . 11 5 光波動(dòng)學(xué)說(shuō)的興起和穩(wěn)固 . 126 對(duì)科學(xué)家探究出光波動(dòng)說(shuō)過(guò)程的總結(jié)和致敬 . 132 光波動(dòng)學(xué)說(shuō)的興起1 人類早期對(duì)光的熟悉和爭(zhēng)論古代人對(duì)于光現(xiàn)象的記載和爭(zhēng)論是和日常生活、觀看天象、占星問(wèn)卜等同時(shí) 開(kāi)頭的 ,因此光學(xué)的起源也和力學(xué)、熱學(xué)一樣,可以追溯到二、三千年前 .我國(guó)的墨經(jīng)就記載了很多光學(xué)現(xiàn)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(xué)學(xué)問(wèn)的記載,歐幾里得（Euclid,公元前約 330

6、275）的反射光學(xué)（Catoptrica）爭(zhēng)論了光的反射,阿拉伯學(xué)者阿勒哈增（ Al-Hazen ,9651038）寫(xiě)過(guò)一部光學(xué)全書(shū),爭(zhēng)論了很多光學(xué)現(xiàn)象 .由于光的物理本性不象力 的本性那樣比較簡(jiǎn)潔為人們熟悉,因此古代光學(xué)基本上停留在對(duì)幾何光學(xué)現(xiàn)象的 描述與總結(jié)上,作為一門(mén)科學(xué),進(jìn)展比較緩慢從光學(xué)器具看,中國(guó)的青銅鏡早 就應(yīng)用,而玻璃和琺瑯在埃及、 希臘、羅馬發(fā)覺(jué)較早柏拉圖學(xué)園（ 428 348 BC）的教學(xué)內(nèi)容中就已有光的直進(jìn)和反射角與人射角相等的內(nèi)容（反射定律的創(chuàng)造者 已不行考）歐幾里得（ Euclid ,約 330275 BC）在光學(xué)一書(shū)中說(shuō)： “ 我 們假想光是直線進(jìn)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(gè)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(jù)但原子論者就主見(jiàn)一切感覺(jué)都是從物體發(fā)出的 物質(zhì)流引起的亞里士多德介于二者之間,主見(jiàn)“ 視覺(jué)是在眼睛和可見(jiàn)物體之間的中介者運(yùn)動(dòng)的結(jié)果”總體看來(lái),人類早期不乏對(duì)光的一些正確熟悉,但整體上并沒(méi)有形成一個(gè)理性的科學(xué)體系 . 2 光波動(dòng)學(xué)說(shuō)的萌芽時(shí)期17世紀(jì)中期,已經(jīng)創(chuàng)造并且制造了望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等光學(xué)儀器,發(fā)覺(jué)了光的直線傳播規(guī)律,光的獨(dú)立傳播定律,光的反射和折射定律,費(fèi)馬原理等規(guī)律,人們已熟悉了光的幾何性質(zhì),初步建立了幾何光學(xué)學(xué)問(wèn)的基本結(jié)構(gòu) .與此同時(shí),人們又發(fā)覺(jué)

8、了一些違反幾何光學(xué)學(xué)問(wèn)的現(xiàn)象.意大利的格里馬爾迪（ F.M.Grimaldi ,公元16181663）通過(guò)觀看放在光書(shū)中小棍子的影子發(fā)覺(jué)衍射現(xiàn)象和雙光干涉 .1669年,丹麥科學(xué)家巴塞林 公元16251698發(fā)覺(jué)光的雙折射, 這些現(xiàn)象的發(fā)覺(jué)在光學(xué)進(jìn)展史上具有重大意義,由于當(dāng)時(shí)已有的幾何光學(xué)學(xué)問(wèn)說(shuō)明這些現(xiàn)象遇到了極大地困3 光波動(dòng)學(xué)說(shuō)的興起難,它迫使人們對(duì)光的行為和本性進(jìn)行新的熟悉 .格里馬爾迪為了說(shuō)明衍射及雙光干涉現(xiàn)象,假定光是以極快速度傳播、能夠 作波浪式動(dòng)作的流體 .英國(guó)物理學(xué)家胡克 （HooK Robert,公元 16351703）主見(jiàn)光 是一種振動(dòng) .他指出：在勻稱媒質(zhì)中,光的振動(dòng)“

9、在各個(gè)方向上都以相等速度傳播,于是發(fā)光體的每一脈沖和振動(dòng)都必需形成一個(gè)球面,這個(gè)球面將不斷擴(kuò)大,猶如投石于水中引起的越來(lái)越大的球狀波一樣.” 荷蘭物理學(xué)家惠更斯是波動(dòng)說(shuō)的創(chuàng)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(dòng)理論 . 惠更斯波動(dòng)理論很好的說(shuō)明了反射折射以及雙折射現(xiàn)象,同時(shí)說(shuō)明干涉和衍射現(xiàn)象也獲得了肯定的成功.但是由于時(shí)代的限制,惠更斯波動(dòng)學(xué)說(shuō)有很大的缺陷 .在惠更斯時(shí)代,人們只知道縱波,因此這種理論不能解 釋偏振現(xiàn)象 .此外,由于 17、18 世紀(jì)經(jīng)典力

10、學(xué)已經(jīng)建立并取得很大的成就,人們總 想著用經(jīng)典力學(xué)的概念描述并說(shuō)明光學(xué)現(xiàn)象,因而光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)沒(méi)有被立刻承認(rèn),直到一百多年后,到19 世紀(jì)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(dòng)說(shuō)重新興盛并向前 進(jìn)展. 3 光微粒說(shuō)和光波動(dòng)說(shuō)并存的時(shí)期3.1 光微粒說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)的思想淵源關(guān)于對(duì)光的本性這一古老之謎的熟悉要追溯到古希臘時(shí)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(zhì)微粒的 觀點(diǎn) .他認(rèn)為視覺(jué)是由物體射出的微粒進(jìn)入眼睛而引起的 .古希臘的男一個(gè)

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(lái)修（Lucretius,公元前 99 一前 55）堅(jiān)持這一學(xué)說(shuō) .盧克來(lái)修說(shuō)：“ 從任何我們觀察的 東西,必定永久有很多原初物體流出來(lái),被發(fā)放出來(lái)；被散布到四周各處,這些物體撞擊眼睛,引起了視覺(jué).” 量子論者的這一觀點(diǎn)是后來(lái)把光看作某種物質(zhì)實(shí)體的粒子說(shuō)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(dòng)學(xué)說(shuō)的興起認(rèn)為,視覺(jué)是在眼睛和可見(jiàn)物體之間的中間介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果 .他認(rèn)為這種中間介質(zhì)有讓光通過(guò)的可能性（潛在才能） ,即是透亮的,光就把這種可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)；

12、所以,沒(méi)有中間介質(zhì)就沒(méi)有視覺(jué).在這個(gè)理論中包含著后來(lái)的光的波動(dòng)說(shuō)的思想. 學(xué)進(jìn)展到了 17 世紀(jì),法國(guó)哲學(xué)家、 物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家笛卡兒（Rene Descartes,15961650）提出了對(duì)光的本性的看法.英籍德國(guó)物理學(xué)家玻恩（Max Born ,18821970）和美國(guó)物理學(xué)家沃耳夫（EmilWolf,1922 一）在他們的光學(xué)原理的歷史引言中說(shuō)：“ 在新哲學(xué)的創(chuàng)立者當(dāng)中,笛卡兒可以提出來(lái)說(shuō)一說(shuō),由于他根據(jù)他的形而上學(xué)觀念系統(tǒng)地陳述了關(guān)于光的本性的見(jiàn)解 .笛卡兒認(rèn)為,光在本質(zhì)上是一種壓力,在一種完全彈性的,布滿一切空間的介質(zhì)（以太）之中傳遞,他并且把顏色的差異歸因于這個(gè)介質(zhì)中粒子的不同速度

13、的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) .” 笛卡兒對(duì)光的本性沒(méi)有明確而統(tǒng)一的觀點(diǎn).他在他的著作光的折射中提出了一個(gè)比如：光通過(guò)介質(zhì)傳入人眼,就象機(jī)械脈沖沿著手杖傳入盲人的手和腦中一樣,并沒(méi)有某種物質(zhì)性的東西傳入眼睛使我們看到光和色.笛卡爾在這里強(qiáng)調(diào)了介質(zhì)的影響和接觸作用,認(rèn)為光是以太介質(zhì)中某種壓力的傳播過(guò)程,所以可以把他算作波動(dòng)論者 .但是同時(shí)笛卡兒又從光的微粒觀念中推導(dǎo)出反射定律與折射定律 . 3.2 微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)的對(duì)立英國(guó)物理學(xué)家、天文學(xué)家胡克在他1665 年發(fā)表的放大鏡下微小物體的顯微術(shù)或某些生理學(xué)的描述 （以下簡(jiǎn)稱 顯微術(shù) 一書(shū)中, 明確主見(jiàn)光是一種振動(dòng) . 同時(shí)他仍提出這種振動(dòng)必定是短促的. 在爭(zhēng)論了光的直

14、線傳播和光速是有限的之后,他寫(xiě)道：“ 在一種勻稱介質(zhì)中這一運(yùn)動(dòng)在各個(gè)方向都以相等的速度傳播 . 所以發(fā)光體的每一個(gè)脈動(dòng)或振動(dòng)都必將形成一個(gè)球面. 這個(gè)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(diǎn)四周的環(huán)狀波膨脹為越來(lái)越大的圓圈一樣（盡管確定要快得多） . 由此可知,在勻稱介質(zhì)中擾動(dòng)起來(lái)的這些球面的一切部分與射線交成直角 . ” 可見(jiàn),胡克實(shí)際上已接觸到波前或波面的概念 . 而經(jīng)典物理學(xué)的奠基者牛頓基本上是主見(jiàn)微粒說(shuō) . 他依據(jù)光的直線傳播性質(zhì),提出光是微粒流的理論 .他認(rèn)為這些微粒從光源飛出來(lái),在真空式勻稱物質(zhì)內(nèi)由于慣性而作勻速直線運(yùn)動(dòng) .早在 1672 年 2 月 6 日牛頓送交英國(guó)

15、皇家學(xué)會(huì)的一封信 “ 關(guān)于光和色的新理論”中,5 光波動(dòng)學(xué)說(shuō)的興起就提出了光的微粒說(shuō),這是牛頓提交給皇家學(xué)會(huì)的第一篇論文 , 也正是以這篇論文為起點(diǎn) , 引發(fā)了牛頓的微粒說(shuō)與惠更斯 Huo gens Christian , 1629 1695 、胡克的波動(dòng)說(shuō)之間的長(zhǎng)達(dá)300 年的論戰(zhàn) . 牛頓認(rèn)為光線可能是由球形的物體所組成,并用這種觀念說(shuō)明了光的直線傳播和光的反射折射定律 . “ 牛頓環(huán)” 現(xiàn)象是牛頓的一項(xiàng)重要發(fā)覺(jué),從這一發(fā)覺(jué)中他提出并確立了光的周期性 . 他在光學(xué)中詳細(xì)地描述了這一試驗(yàn)現(xiàn)象 . 當(dāng)他把一個(gè)平凸透鏡放在一個(gè)雙凸透鏡上時(shí),他觀看到一系列明暗相間的同心圓環(huán). 壓緊玻璃體,轉(zhuǎn)變其間

16、空氣膜的厚度,又發(fā)覺(jué)了條紋的移動(dòng) . 他仍精確地測(cè)量了環(huán)的半徑,發(fā)覺(jué)環(huán)的半徑的平方構(gòu)成一個(gè)算術(shù)級(jí)數(shù) . 這里最重要的是對(duì)光的周期性的發(fā)覺(jué). 牛頓這樣寫(xiě)著；“ 有時(shí)我一連數(shù)了三十多次周期性變化的序列,在每一個(gè)序列中都包括一明一暗的環(huán),但是由于它們太窄無(wú)法 數(shù)清晰 . ” 牛頓的精確觀看,原來(lái)是光的波動(dòng)性的證明 . 他的測(cè)量也為確定各種色 光的波長(zhǎng)供應(yīng)了依據(jù),但是他并未由此走向波動(dòng)說(shuō),而是用他的光的微粒和以太 振動(dòng)相結(jié)合的新觀點(diǎn),說(shuō)明了他發(fā)覺(jué)的牛頓環(huán)現(xiàn)象 . 胡克與牛頓爭(zhēng)辯時(shí),提出不少問(wèn)題,特殊是微粒說(shuō)所不能說(shuō)明的一些事例 .為 了回答胡克提出的問(wèn)題,牛頓又進(jìn)一步爭(zhēng)論,想方法如何來(lái)完善自己的假說(shuō)和

17、理 論.由于牛頓對(duì)振動(dòng)和波動(dòng)過(guò)程有一個(gè)嚴(yán)格的明白并有一個(gè)嚴(yán)整的數(shù)學(xué)原理,所以 他在與胡克爭(zhēng)辯過(guò)程中,認(rèn)為在自己的關(guān)于光的粒子結(jié)構(gòu)的理論中,作出的結(jié)論 是正確的,但是他也說(shuō)明作出這個(gè)結(jié)論并沒(méi)有確定確定,所以只能用兩個(gè)字來(lái)表 示：“ 可能” ；進(jìn)而認(rèn)為這個(gè)結(jié)論在極端的情形下,僅是自己學(xué)說(shuō)的大致的結(jié)果,而不是它的基本前提 . 堅(jiān)持光的波動(dòng)說(shuō), 并想建立理論來(lái)說(shuō)明它的是荷蘭物理學(xué)家惠更斯（Chsistisll Huygells, 16291695）. 惠更斯于 1678 年向法國(guó)科學(xué)院提交了光論這本著 作,該書(shū)于 1690 年出版 . 惠更斯以以下論據(jù)來(lái)駁斥牛頓的微粒說(shuō),他寫(xiě)道：“ 假如 留意到光線向

18、各個(gè)方向以極高的速度傳播,以及光線從不同的地點(diǎn)甚至是完全相 反的地方發(fā)出時(shí),光射線在傳播中,一條光線穿過(guò)另一條光線而相互毫不影響,就能完全明白這一點(diǎn)：當(dāng)我們看到發(fā)光的物體時(shí),決不行能是由于從它所發(fā)出的 物質(zhì),象穿過(guò)空氣的子彈和箭一樣,通過(guò)物質(zhì)遷移引起的 .” 惠更斯在批判微粒說(shuō) 時(shí),提出了他的波動(dòng)說(shuō) .他認(rèn)為光是由發(fā)光體的微小粒子的振動(dòng)在布滿于宇宙空間6 光波動(dòng)學(xué)說(shuō)的興起的介質(zhì)“ 以太” 中的一種傳播過(guò)程,光的傳播方式象聲音的傳播方式一樣 . 3.3 微粒說(shuō)先占統(tǒng)治位置17 世紀(jì),光的波動(dòng)理論處于萌芽階段；笛卡兒認(rèn)為光是一種壓力,胡克卻說(shuō)光是介質(zhì)中的快速跳動(dòng)（脈沖） ,這個(gè)波動(dòng)說(shuō)經(jīng)過(guò)惠更斯的加工,得到了進(jìn)一步的發(fā)揮,但仍舊是很粗略的 . 他沒(méi)有指出光現(xiàn)象的周期性,沒(méi)有提到波長(zhǎng)的概念,更沒(méi)有確立相位的概念 . 他認(rèn)為光波是縱波,不能說(shuō)明偏振效應(yīng) . 雖然當(dāng)時(shí)已發(fā)覺(jué)了干涉現(xiàn)象、衍射現(xiàn)象 , 但是波動(dòng)論在對(duì)這些現(xiàn)象的說(shuō)明上脆弱無(wú)力 . 相比之 下,