2025年高考光 的 發(fā) 展 史

　　光的發(fā)展史

　　河南省安陽市第二中學王瑜

　　什么是光？

　　光是什么？

　　讓我們

　　撫去歲月的風塵

　　打開歷史的卷面

　　踏著前人的足跡

　　回顧一下光學說的發(fā)展

　　******

　　在很早很早以前，有一本名為《圣經》的書里有這樣一句話：崐神說，要有光，就有了光。這句斷言把光的全部問題一筆勾消，崐因為這句話的意思是：光亮不過是黑暗的反面，是讓人能看見東崐西的環(huán)境�？墒枪畔ＥD人確認為光具有客觀現(xiàn)實性，是一種象從水龍頭射出的水那樣從人們的眼睛射出的東西。我們之所以能看崐見物體就是靠從眼睛里射出的一束這樣的光擊中了這個物體。這個說法從而解釋了為什么我們睜著眼能看見物體但閉著眼卻看不見了這一事實。不過，在黑暗的地方，為什么我們的眼睛睜的再大也看不見東西呢？

　　畢達哥拉斯對此提出了一種新的理論：光是由發(fā)光體向四面八方射出的一種東西，這種東西碰到障礙物上就立刻被彈開。如果它偶然進入人的眼睛，就叫人感覺到看見使它最后被彈開的那個東西。

　　這種理論雖然有點符合經驗事實，但光的問題根本沒有因這種理論而得到解決�？茖W上的每一樣新發(fā)現(xiàn)都帶來一大堆新問題。就光而言，從發(fā)光體發(fā)出的光是怎樣躍過空間進入人的眼睛里？光是涼的還是熱的？它動不動？它動的有多快？

　　這就出現(xiàn)了兩種理論：

　　光的粒子說：光是由億萬個光子或“微粒”組成的，光子由發(fā)光體向各個方向射出好象一顆不斷爆炸的炸彈的碎彈片。

　　光的波動說：光可以象波那樣運動，把它的信息從一個地方帶到另一個地方。但是，這種學說的困難在于一個波動并不僅僅是一個波動，因為波的傳播需要媒質光能夠在真空中傳播，那么，真空中有媒質嗎？如果有某種物質性的東西充滿真空那它就不是真空。這就是說，由于缺少一種媒質好讓我們所講的波能在里面崐波動，就得殘酷地拋棄這種大有前途的理論？不！哪個科學家也不會這樣做。科學家驚人的想象力稍微發(fā)揮一下，就很容易地解崐決了這個問題：宇宙空間充滿了一種無處不在、又看不見摸不著的非物質性的媒質－－以太。光就是在這種媒質（以太）中傳播。

　　這就有了兩派彼此抗衡的光的學說：微粒說和波動說。那么，哪一派正確呢？偉大的牛頓支持微粒說。他覺得，波有衍射現(xiàn)象，但光是沿著直線傳播的，又有誰見過光拐彎呢？所以他相信微粒說。固然，那時關于光，已知有許多奇妙事實同微粒說是不相容的，可這對于絕頂聰明的牛頓來說，攻克這樣的難題還不是小菜一碟？他用粒子說對當時所知的光的一切現(xiàn)象都作了解釋,只是稍微犧牲了一點簡單性而已。比如，為了解釋某種光學現(xiàn)象，他崐把光子想象成鳥似的一起一伏的飛翔。雖然波動說在牛頓時代也不乏擁護者，以荷蘭物理學家惠更斯為首的波動論者，把他們的主要希望寄托在一個這樣的事實上：微粒相碰時，應該彼此彈開，然而實驗表明，兩束光相遇時，彼此交叉而過，互不影響。不過，波動說要同的微粒說抗衡僅有這一實驗作基礎能有多大的勝利的希望呢？因為有那么一個天才巨人牛頓站在他們的對立面！

　　高山為谷，大海為陵。三十年河東，三十年河西。牛頓逝世后，關于光又有了新的實驗發(fā)現(xiàn)，而新發(fā)明的數(shù)學方法又為波動說提供了解決困難的有力工具。

　　波動說的支持者認為，之所以看不到光的衍射現(xiàn)象，是因為光的波長太短，如果障礙物的尺寸與光的波長相差不多，就應能看到光拐彎的現(xiàn)象。并還推測出光不僅有衍射現(xiàn)象，還應有干涉現(xiàn)象。實際上，早在牛頓時代，人們就已經觀察到了光的干涉現(xiàn)象。而牛頓卻一直提不出真正圓滿的說明�？磥砦⒘Ｕf要倒霉了。

　　牛頓死后大約一百年，托馬斯·揚在公元１８１７年提出了光是橫波的假說，法國的一位土木工程師菲涅爾以此為基礎，在１８１８年提交了一篇應征巴黎科學院懸賞征求闡述光折射現(xiàn)象的論文。在這篇文章中，他提出了一整套高度完善的波動說理論，這個理論是哪樣的簡潔和有力。無論當時那么多復雜漂亮的實驗，以及所有已知的光學現(xiàn)象沒有一個它解釋不通的。但粒子說并不甘心就這樣灰溜溜地退出歷史舞臺。著名數(shù)學家泊松還要做垂死的掙扎。他根據菲涅爾的理論推算出光射到一個不透明的圓板上，在這個圓板的中心應當有一個亮斑－－泊松斑。顯然誰也沒有看到過這種十分荒謬的現(xiàn)象。所以，泊松興高采烈地宣稱他駁倒了菲涅爾的波動理論。然而他高興的似乎早了點。波動說的支持者用實驗的方法證明了圓板的陰影中心確實有這樣一個亮斑。這不過是光的一種衍射現(xiàn)象。這真是搬起石頭砸自己的腳，如《紅樓夢》里所說的，“機關算盡太聰明，反算了卿卿性命”。波動說的理論基礎反而由此更加牢固了。但波動說并不就此罷休。它還需要有更近一步的證據去證明微粒說是錯的。這就是法國人傅科所做的一個重要實驗：測量光在水中的速度。因為兩派理論在這一點上有重大分歧：按牛頓的光子說，光在水中的速度應大于光在真空中的速度；而波動說則堅持認為水中的光速一定小于真空中的光速。誰是誰非？科學等待了很久，終于由傅科用實驗的方法證明水中的光速恰與波動說預計值相吻和。

　　遭此一系列的打擊，微粒說的照命星隕落了，波動說以勝利者而沾沾自喜時，還沒有忘記“宜將勝勇追窮寇，不可沽名學霸王”這一古訓。它還要得到更大的支持，要置微粒說于十八層地獄。這就是法拉第對電與磁的研究，使多少有點停滯不前的古老的電磁學出現(xiàn)了復興。一個新的紀元開始了。到了１８７２年麥崐克斯韋終于完成了他的鴻篇巨制《電磁學通論》這部電磁理論的經典著作，他把法拉第那種表面上似乎很神秘的見解化成人們所能接受的的兩組微分方程－－麥克斯韋方程組，方程簡潔、完美、整齊，不僅解決了當時所知的所有的電磁學問題，概括了所有的電磁現(xiàn)象，而且他根據這四個方程推導出應當存在電磁波這種東西，這種波應當按光速傳播，而且具有光的一切物理性質。這就是說，光是電磁波的一種，波動說的所有高超的理論都毫無例外地包含在新的電磁方程中。而這個方程組的另一個豐功偉績是把崐數(shù)百年來物理學家苦苦創(chuàng)造的數(shù)百種以太模型統(tǒng)一成了一種－－電磁以太。

　　然而，話還不能說的太絕。要想使麥克斯韋的這個看起來是崐那么美妙的學說被人們所接受，必須用實驗的方法產生出麥克斯韋所假設的電磁波來。否則，只能看成是一種很有趣的假說。這可是一件十分難辦的事情。困難主要還不在于產生電磁波，而在于怎樣證明電磁波當真產生了。一年年過去了，并沒有探測到這種波，物理學家們對麥克斯韋的見解是否正確開始有了疑慮。在流言誹語中，麥克斯韋死了。

　　在他逝世的七年后，德國人赫茲歷經三年終于于１８８８年在一系列的輝煌實驗中探測到了電磁波。這些實驗到處受人的歡呼，被認為在磐石般的實驗事實上，出色地證實了麥克斯韋理論崐的正確性。這可不是一個貧乏無味的理論，它不僅有不可估量的崐商業(yè)價值，而且還使人們不得不相信無線電波同光波是一樣的，不同的只是頻率。在可見光的兩端還存在著大量的不可見光：比紫光頻率高的有紫外線、Ｘ射線、γ射線；比紅光頻率低的有紅外線和各種無線電波等。到此，光是一種波，已經用數(shù)學上精美崐雅致永遠不變的圖式嚴格固定了。光的所有細節(jié)經過幾代人的努力被揭露的詳細無遺并被絲毫不差地納入了莊嚴的數(shù)學定律中。

　　波動說勝利了。他們以雷霆萬鈞之力壓倒了不幸的微粒說。他們確有理由自豪：宏偉的宇宙受已知方程支配，光的一切現(xiàn)象在理論上都可以預言，并按已知的定律由原因莊嚴地進行到結果。拓荒者的工作已經完成，沒有絲毫基本的東西尚待發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在只是擴展已有的知識的細節(jié)問題。

　　微粒說死了。它已喪失了一切生存的理由。

　　光陰似箭，日月如梭。時間就這樣一天天的過去了。物理學家們在自家的田園里“采菊東籬下，悠然見南山”。雖然少數(shù)具有近乎先知先覺能力的人對天邊漂來的幾朵烏云而察覺到遠方的風暴暗中趨進，但是他們的警告對打亂一般人的鎮(zhèn)靜無憂不大起作用。

　　就在赫茲尋找麥克斯韋的電磁波的實驗中，他注意到了一個奇妙的事實：用紫外光照到實驗裝置上，電磁波出來的稍微容易些。但這種現(xiàn)象與證實電磁波的存在相比，就太微不足道了。他不能領會到，這恰是哪天邊的幾朵烏云之一。令人遺憾。

　　科學沒有永恒的理論。一個理論所預言的論據常常被實驗所崐推翻。任何一個理論都有它的逐漸發(fā)展和成功的時期，經過這個時期以后，它就會很快地衰落。差不多科學上的重大進步都是由于舊理論遇到了危機通過盡力尋找解決困難的方法而產生的。為了使我們的這個故事能夠繼續(xù)下去，我們必須想象一下在嚴寒的冬天人們最美好的希望是坐在熊熊的爐火旁。這是因為爐火能放出某種看不見的、給人以熱的感覺的射線－－實際上是輻射出電磁波。在科學上稱這種現(xiàn)象為熱輻射。這是自然界中的一件很平常的事。但人們在尋找這種現(xiàn)象的基本規(guī)律時卻遇到了一點麻煩。這一種現(xiàn)象需要用兩個定律來描述。物理學家都有一個尋求普遍定律的嗜好。他們一旦發(fā)現(xiàn)同一現(xiàn)象可以用幾個定律在不同方面進行描述時，便立即嘗試將這些定律合成單一的普遍定律，使之能同時概括所有的方面。

　　英國物理學家瑞利和金斯將熱輻射的定律合二為一了，并與實驗結果相吻合。可是不久卻發(fā)現(xiàn)在熱物體輻射出紫外線時新的定律便告失效。這種荒唐的局面被稱為“紫外災變”。這是上世紀末發(fā)生的事。那時候任何人也沒有想到，這不僅僅是某一個頗為特殊的定律的災難，而是摧毀這個定律全部理論基礎－－經典物理學的災難。

　　當一種理論在很順利地發(fā)展時，會突然出現(xiàn)一些出乎意料的阻礙，這種情況在科學上時常發(fā)生。所以物理學家對“紫外災變”不以為然。麥克斯韋的電磁理論之所以能夠成為經典，是因為它有著磐石般的實驗基礎。這是千真萬確、不容置疑的。為了克服這個偉大的理論所面臨的這一點點小困難，不少的具有一流頭腦的物理學家紛紛放下手頭的工作轉而為此“仁者見仁，智者見智”。其中德國科學家普朗克脫穎而出。此時，普朗克已年過四十，但他卻以從未有過的青春活力和激情瘋狂地工作著。以無比的毅力建立了、又推翻了一個又一個理論模式。在懊喪之余，他意識到與其說事實不符合理論，毋寧說是理論不符合事實。在就是說，如果事實不能被理論說明，那是理論不中用，理論必須在新的基礎上重建。在這個重大信念的指使下，使他看到了挽救局面的希望。他象狂人般地用了幾個星期的時間傾全力攻克這個問題，最后他終于杜撰出一個公式－－它純粹是一些不相關量的偶然結合，而其物理意義又非常不合公認的傳統(tǒng)理論，但卻奇跡般地與實驗十分吻合。要精確敘述普朗克的推理論證，需涉及太多的數(shù)學抽象概念，但這個理論的精髓卻很簡單：物體以電磁波的形式放出或吸收的能量都是一捆一捆的。為了方便，他把這種捆稱為能“量子”。這一結果是新物理學誕生的壯麗標志，由它要產生天大的事件，也使后人將普朗克稱為量子力學之父。但他的哪些所謂的能量子在經典的電磁理論中無疑是異教邪說，因為電磁波攜帶的能量是連續(xù)的，而不是一份一份的。因此他感到恐怖萬分。他曾十分內疚地說：“經典理論給了我們這樣多有用的東西，因此必須以最大的謹慎對待它，維護它”。而科學界也對他的哪個無理論依據的與傳統(tǒng)觀念格格不入的公式給予了極大的冷漠。以至于在多少年后他還在拼命修改他的學說，使他不至于成為麥克斯韋經典理論的叛徒。

　　人類只有在某一類事情上做盡一切可以想象的傻事以后，才能在這一類事情上得到一點合理的東西。

　　一年一年過去了，普朗克的見解過著風雨漂搖的生活。似乎已被他的創(chuàng)始者所拋棄。但是金子總是要發(fā)光的。歷史在次證明，偉大的需要產生偉大的人物。１９０５年，伯爾尼的瑞士專利局的某位職員在德國《物理學雜志》第十七期上同時發(fā)表了三篇驚世駭俗的文章，其中的一篇為《關于光的產生和轉化的一個啟發(fā)性的觀點》中說，按照麥克斯韋的理論，對于一且純電磁現(xiàn)象因而也對于光來說，應當把能量看成是一個連續(xù)的空間函數(shù)，但這個理論會導致和實驗相矛盾。如果用光的能量在空間不是連續(xù)分布的，而是由能量子組成的，似乎更好一些。這段話意思就是說為了使理論與實驗相符，光不僅是成束地被物質所吸收或放出，而且在脫離物質后也必定以某種方式表現(xiàn)的象一個粒子：光粒子這種提法不是反革命復辟嗎？是誰有這么大的膽量在波動說一統(tǒng)天下的今天敢重彈微粒說的老調？他就是后來被稱為物理學的三個偉人之一－－阿耳波特.愛因斯坦。但當時他是何許人也？他不是學者、教授，而卻要復辟光的微粒說，要證明關于電磁現(xiàn)象這個在審美上令人滿意的、精心證實了的理論基本上是錯誤的，真是癩蛤蟆想吃天鵝肉。

　　科學的探索不是坐軟臥車廂，那兒有唯一太平的軌道�？茖W的遠征是在巨浪滔天的大洋上航行，可能要用青春和生命去殉自己的事業(yè)。唯有清醒和堅定的人才能達到目的地。愛因斯坦的這種獨特非凡的見解是長期思維活動中的一種頓悟，他以巨大的魄力把傳統(tǒng)的理性和邏輯框架拋置在一邊，經深思和有力的論證，不是輕率浮泛地、而是明確定量地對波動說發(fā)起了一次又一次地攻擊。表現(xiàn)出是一名威力非凡的斗士，激起越來越多的研究者風從。他們“橫掃千軍如卷席”，用光的微粒說直接對波動說為圖方便而避開不談的實驗事實提出簡明的解釋。特別是愛因斯坦對光電效應的解釋，更是新的光的微粒說－－光子說的重大勝利。

　　早在１８７２年，莫斯科大學教授斯托列托夫就發(fā)現(xiàn)了光電效應。赫茲在證實電磁波的哪個實驗中所注意到的那種奇特效應就是光電效應，后來，他的學生又對這種效應做的大量的研究，發(fā)現(xiàn)了光電效應的實驗規(guī)律。這種成為現(xiàn)今電影、電視等基礎的效應如同“紫外災變”一樣使光的波動說感到為難：偉大麥克斯韋的經典電磁理論在這些事實面前顯的是那樣的蒼白無力。用愛因斯坦的光子解釋這些事情如同探囊取物耳。

　　不過，由于波動說同麥克斯韋的電磁理論結成的美滿的策略性婚姻而陣地強固，要恢復已失去的容譽，復活的微粒說并不能實現(xiàn)速戰(zhàn)速決。從而使得物理學戰(zhàn)云密布，烽火四起。

　　波動說的武裝力量是雄厚的，如光的干涉、衍射，水中光速的測量等。這些實驗成為在對微粒說的斗爭中波動說武庫里的最有力的進攻性武器。微粒說若對這些固若金湯的城堡發(fā)動任何進攻是注定要失敗的。但新的微粒說是狡猾的，他們探尋到了那些因波動說感到太蒼涼、險惡而無人問津、耕墾的荒原。在這個不毛之地上叩探到了豐富的黃金礦脈，并用來生產出許多新式武器崐來抵御波動說。其中威力最大、最若人注目的仍屬光電效應。美國的密立根１９１５年十分精密而完整地證實了光電效應方程，終于使的愛因斯坦獲的了１９２１年的諾貝爾物理獎，兩年后，密立根因他的精密測量極其出色地證實了愛因斯坦的見解也獲得了這項殊榮。光子說的又一新式武器是１９２３年美國的物理學崐家康普頓利用英國物理學家威爾遜發(fā)明的云霧室成功得觀察到了光子與電子碰撞現(xiàn)象，從而使他們二人合得１９２８年的諾貝爾物理獎。

　　流光如水，硝煙彌漫了四分之一世紀，戰(zhàn)斗淪為了塹壕戰(zhàn)。光子不能奪取波動的固有領土，波動也不能蹂躪光子的疆域。只好畫出一個三八線，各自安安生生地守住自己的陣地。科學的原野分屬了兩個交戰(zhàn)的陣營，前景即不是速見分曉，也不是合理的妥協(xié)。戰(zhàn)爭的唯一犧牲品是以太。無論對陣營的哪一方，它都成為多余。這個令十九世紀最優(yōu)秀的科學家絞盡腦汁、耗盡心血的崐東西終于從物理學中絕跡了。而它的掘墓人仍是那位在１９０５年德國《物理學雜志》第十七期上同時發(fā)表了三篇驚世駭俗的文章愛因斯坦。遺憾的是他卻并沒有因《論動體的電動力學》而獲得諾貝爾物理獎金。

　　科學對這樣的局面并不陌生：一個學說適用于一組事實，而另一組學說能解釋另一組事實。但是，在以前的事實中，所以出現(xiàn)這種局面，總有個理由好象說得通。例如，麥克斯韋方程不適用于萬有引力，這并沒有引起不安，因為在那個階段上，誰也沒料想到會發(fā)現(xiàn)電和引力有什么關聯(lián)。但是現(xiàn)在物理學眼前卻是個全新的局面：同一個實體－－光－－既是波又是微粒。為了解釋干涉、衍射，光必須是波；而光電效應又使它成為粒子。這種剪不斷、理還亂的兩難局面叫每一個真正物理學家坐臥不安、心驚肉跳：光居然是兩種如此矛盾的東西，真不夠意思�？茖W中暗藏著這樣一種未澄清的二象性，侵蝕了它的要害部位，這是同物理學的一切理想和傳統(tǒng)都格格不入的。然而，兩方各自如山的鐵證又是那樣無隙可擊。物理學家心中的那種苦啊，令人慘不忍睹。他們也只能隨遇而安，帶著一副愁眉苦臉四處徘徊，悲嘆他們在星期一、三、五必須把光看成是波，而在星期二、四、六又必須將光看成是粒子。那么，星期天呢？他們干脆就祈求上天保佑了。

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