人类理解光的阶段。

人类对光的本质的认识经历了一个非常曲折漫长的过程，不仅使我们获得了很多知识，也加深了我们对科学精神和科学发现的理解。同学们，请认真阅读。暂时不懂的可以跨过去。看完有什么感想？请回信或发邮件给zhousp-fx@263.net告诉我。

光理解历史的本质

——摘自乔继平、刘佳敏主编《重要物理概念规律的形成和发展》。

人们对光的本质的认识经历了很长时间。17世纪形成了两种对立的理论，即光的波动理论和粒子理论。然而，在很长一段时间里，粒子理论占主导地位，而波动理论几乎消失了。到了19世纪初，光的波动理论被一系列的发现和许多科学家的努力所复兴和淹没。20世纪初，爱因斯坦提出了光的量子理论。康普顿证实了光的粒子性，使人们对光的本质有了新的认识。直到今天，人们才意识到光具有波粒二象性。人们认识光的本质的过程可以概括为:

光的波动理论→光的粒子理论→光的量子理论→光的粒子理论→光的波粒二象性。

一、光的波动理论的形成

在十七世纪，形成了两种关于光的性质的理论。历史上笛卡尔、胡克、惠更斯等人都提倡光的波动说。

1.笛卡尔借助以太解释了光的传播过程。

17世纪上半叶，法国物理学家笛卡尔(1596-1650)用他的“以太”假说解释了光的本质。他用中间的压力来解释光的传播过程。如果物体受热发光，说明物体的粒子在运动，给这种介质的粒子以压力。这种介质叫做以太，它充满了。到达人眼后，引起人的感受。他把人对物体的视觉比作盲人用拐杖感知物体的存在。他把光的颜色想象成起源于以太粒子的不同旋转速度，旋转快的时候产生红色的感觉，旋转慢的时候产生黄色的感觉，绿色和蓝色最慢。他的主张是强调媒介的影响，以“行动”的传播为出发点，尤其是接触行动或短程行动为出发点，把光看成压力或脉动。

2.胡克通过光波和水波的类比指出了光的波动。

虎克在1665年出版的《显微镜学》一书中明确指出，光是一种振动。他以钻石在黑暗中摩擦、撞击或加热时会发光的现象为例，认为发光体的一部分或多或少处于运动状态，而由于钻石比较坚硬，所以肯定是短暂的振动。胡克在分析光的传播时，提到光速是有限的，认为“在”这种运动向各个方向以相同的速度传播，“所以发光体的每次振动都形成一个向四周扩散的球面，就像一块石头扔进水中形成的波，光线与波面成直角相交。虎克还将波面思想应用到光的折射现象的研究中，提出薄膜的颜色是由两束不同强度的光经两个界面反射和折射后叠加而成的，这两束光是超前和滞后不一致的。这里，波前和干涉都包括在内。

3.惠更斯通过类比光波和声波提出了惠更斯原理，发展了光的波动理论。

荷兰物理学家惠更斯(1629-1695)在20世纪70年代研究了光的波动理论，并于1690年出版了他的名著《论光》。惠更斯从光的产生及其引起的作用两个方面解释了光是一种运动。他的研究发现“光线在各个方向都非常高。当我们看到一个发光的物体时，绝不会是因为它有任何物质传递给我们，就像子弹或箭穿过空气一样。”由此可见，惠更斯是从光束在传播中交叉时互不干涉这一事实得出上述结论的。他将光的传播模式与声音在空气中的传播进行了比较。明确指出光是一种波动的思想。他还论证了光是一种按照光速的有限性从介质的一部分依次传播到其他部分的运动。他认为光是像声波和水波一样的球面波。惠更斯不仅从现象上解释了各种光的波动现象，而且试图从理论高度总结出普遍规律。他提出了著名的惠更斯原理。他声明:“必须指出的是，这些波的形成过程，当光在物质中传播时，物质的每一个粒子不仅要把它的运动传递给它和发光点之间的线附近的粒子，还要传递给所有其他接触它并阻碍它运动的粒子。所以应该是在粒子周围形成一个波，粒子就是波的中心。”利用这个二次波原理，惠更斯不仅成功地解释了反射和折射定律，惠更斯也没有给出波动过程的严格数学描述。他没有提到波长的概念，他的二次波包线也没有考虑一个定位相位叠加造成的强度分布。只是光传播的几何定性描述，所以他还停留在几何光学的概念上。因为他认为光波和声波一样是纵波，所以无法解释光的偏振。而且惠更斯所谓的波实际上只是一个脉冲而不是一个波列，波过程周期性的概念并没有成立。所以他的理论无法解释颜色的起源，也无法解释干涉、衍射等与光的本质相关的现象。总之，笛卡尔、胡克、惠更斯在17世纪建立的光的波动理论还很不成熟。

二、光的粒子理论的形成

在光的波动理论的形成过程中，另一种关于光的本质的对立理论——光的粒子理论也逐渐建立起来。

1.牛顿在研究光的色散时提出了光粒子理论。牛顿从光学研究中的光色散现象得出结论；单色光束是无法改变的。它们可以说是光的“原子”，就像物质的原子一样。支持光的粒子说的人认为单色光是由单个粒子组成的，而白光是各种光粒子的混合物，棱镜只是对它们进行分类，使得各种光粒子有不同的偏转角。因此，牛顿和他的追随者把色散看作是粒子理论的一个证明。当时，不完善的波动理论很难解释光的色散。

2.牛顿根据光的线性传播特性提出了光是粒子流的理论。牛顿在1704出版的《光学》一书中，根据光的线性传播性质，提出了光是粒子流的理论。他认为光的线性传播是由于这些粒子在真空或同质物质中由于惯性而飞出光源的匀速直线运动。他说:“光是发光物质发出的非常小的物体吗？”因为这样的物体可以直线穿过均匀的介质，而不会弯曲进入阴影区，这就是光的性质。"

3.牛顿在解释光的折射定律、衍射和干涉的过程中，进一步发展和完善了光的粒子理论。牛顿在分析折射定律时，坚持粒子理论，认为光在光学致密介质中的速度大于在光学稀疏介质中的速度(其实这是一个错误的观点)，但当时无法用实验来检验。牛顿在解释光的衍射现象时，认为当光粒子通过障碍物边缘时，由于两者之间的引力作用，光束进入了几何阴影区。这个解释当时被大多数人接受。牛顿在解释光的干涉现象时，认为当光投射到物体上时，可能会引起物体中以太粒子的振动，就像扔进水中的石头在水面上引起涟漪一样。他甚至想象，可能是因为这种波依次冲过光，才造成了干涉现象。在解释薄膜干涉时，牛顿已经接触到了光的周期性的概念。从上面可以看出，牛顿关于光的本质的观点基本上是倾向于粒子论的，但也包含了一些波动的观点。但是，当时牛顿的支持者和崇拜者都推选牛顿为粒子论的代表。

第三，在光的波动论和粒子论的斗争中，粒子论取得了初步的胜利，占据了主导地位。

光的波动说和粒子说最初形成的时候，两种对立的观点有过激烈的争论和斗争。以惠更斯等人为代表的光的波动说和以牛顿为代表的光的粒子说都各持己见。他们都解释了一些光学现象，但各自都有一定的局限性，由于当时的条件，有时很难明确判断其对错。例如，根据粒子理论，光的折射定律可以推导如下

sini/sinr=v2/v1

其中I是入射角，R是折射角，N是折射率。v1和v2分别是第一介质和第二介质中的光速。当疏水介质进入光学稠密介质时，V2 > V1，即光在光学疏水介质中的速度小于在光学稠密介质中的速度。根据波动理论，惠更斯推断

Sini/sinr=v1/v2，则v2 < v1

当时由于实验技术上没有办法精确测量光速在介质中的速度，所以无法判断上述两个对立概念谁对谁错。在两种理论的争论中，牛顿当时显赫的声望和权威，光的粒子理论也成功地解释了光的线性传播特性，光的反射和折射，粒子理论与当时物质结构的原子理论并不矛盾。因此，十七世纪的大多数物理学家都赞同光的粒子理论，这种理论一直持续到十八世纪末，导致粒子理论主导了关于光的本质的争论，一直到十九世纪，也为人们认识光的本质提供了重要的依据。让光的波动理论几乎消失。只有少数物理学家捍卫并发展了“以太”波动理论。其中有瑞士的欧拉(1707-1783)。伯努利(1700-1782)和俄罗斯罗蒙诺索夫(1711-1765)等。虽然在光的本质的争论中，粒子论占了上风，但是牛顿严谨的学术态度让他一直认为，虽然他做过很多光学实验。

第四，光涨落理论的复兴

18世纪占主导地位的是光波理论，进展不大。19世纪初，在一大批物理学家的共同努力下，光波理论复兴并取得巨大成功。

1.托马斯·杨开创性的研究工作

年轻的英国学者托马斯·杨(1773-1829)说，虽然他钦佩牛顿的名字，但他不必认为牛顿是一贯正确的，他会犯错误，他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。更有甚者，牛顿在《光学》一书中提出，光的本质可以进一步探索。尽管周围的环境压制了托马斯·杨波浪理论的研究工作，但他坚持探索。他仔细观察了两组水波重叠处发生的现象:“一组水波的波峰与另一组水波的波峰重合，会形成一组波峰更高的水波。如果一个波的波峰与另一组波的波谷重合，那么波峰正好填满波谷。因此，他著名的“干涉原理”也被称为“波的叠加原理”，首次在光学中引入了“干涉”的概念。他所表述的干涉原理是:“两个不同的光源在同一个方向或非常接近的情况下的波动，它们的组合效应就是每种光的运动的合成。“由于运动的合成，两束光的光强将在重叠处重新分布。同时，他指出了干涉现象产生的条件。他首次完成了著名的双缝干涉实验和其他干涉实验，并得出结论:为了显示光的干涉，必须将来自同一光源的光分成两束，然后通过不同的通道重叠在一起，这样就可以观察到干涉现象。杨第一次成功地测量了光的波长。然而，杨的发现并没有得到科学界的重视。反而引来了一些野蛮的攻击。由此可见，光粒子理论在当时是不可动摇的。直到20年后，法国物理学家菲涅尔在法国独立研究了光的理论，并特别赞扬了杨的工作，杨才重新开始光学研究。托马斯·杨的工作是一项开创性的工作，从根本上证明了波浪理论的正确性，为波浪理论的复兴奠定了基础。

2.菲涅尔杰出的实验研究和理论研究，使光的涨落理论复活了。在菲涅尔的光学研究中，他首先观察到了点光源发出的光束被细线遮挡时的条纹。如果穿过细线一侧的光在到达屏幕前将其阻挡，菲涅耳认为条纹的出现与细线两侧的光叠加有关。当时很多物理学家认为这种现象不是因为光波的叠加，因为粒子理论早就提出了对衍射的解释。菲涅耳从理论研究中发现了著名的惠更斯-菲涅耳原理:“光波在任意一点的振动都可以看作同时传播到该点的轻元素振动的总和。这些振动来自于波的所有在先前位置没有被阻挡的部分的作用。”利用这一原理，可以用严密的数学方法计算衍射带的分布，解释光在均匀介质中的近似线性传播现象和干涉现象。菲涅耳做过很多实验，他提出了“相干光”的概念，即只有同一光源的同一点发出的光才是相干的。他设计并进行了著名的双反射镜和双棱镜实验。测量了光的波长，明确指出光的波动和谐波是衍射和干涉的原因。菲涅耳也解释了不同波长的光的不同颜色。2008年，菲涅耳的衍射论文在法国科学院举办的一次竞赛中获得一等奖和荣誉论文。泊松从菲涅耳理论推导出圆形不透明障碍物的阴影中心应该有一个亮点。阿拉戈的实验很快证实了这一点。在1808中，马里乌斯(1775-1812)偶然发现了光在两种介质的界面上反射时的偏振现象。为了解释这一现象，杨指出光波和弦上的波传播是相似的。人们认为光波是一种横波。菲涅耳进一步完善了这一观点，导出了菲涅耳公式。就这样，由于扬和菲涅耳的杰出工作，光的波动理论终于复活了，并且得到了极大的完善和发展，使得光的波动理论在19世纪关于光的本质的争论中占据了主导地位，而在17、18世纪盛行一时的粒子理论不得不退居“二线”。

3.光的波动理论的发展及其局限性。

由托马斯·杨和菲涅尔复兴的光的波动理论在19世纪中叶和下半叶迅速发展。2008+0845年法拉第发现了光的偏振面在强磁场中会旋转的现象，揭示了光与电磁现象的内在联系50010.000000001005德国物理学家韦伯(1804-1891)发现并确定了电磁单位与静电单位电荷之比等于光在真空中的传播速度，进一步解释了光与电磁的内在联系。1948+0849年，法国物理学家自由灵魂测得光速，1948+0862年，福柯用转镜法获得。

以空气中的速度为基础，光的波动理论被实验充分而准确地证明了。光速的测量为光的电磁理论提供了强有力的证据。1864年麦克斯韦电磁场理论的建立，使光的波动理论达到了成功的顶峰。到目前为止，光的波动理论似乎很令人满意，但如果把波看成是“以太”中的力学弹性波，就必须赋予它许多附加的甚至矛盾的性质，比如光是横波。那么“以太”必然具有非常大的剪切弹性，而这种弹性只有固体才具有，所以波动理论仍然面临困难，随后的实验发现也证明了光的波动理论具有一定的局限性。

五、光的量子理论

1900年，普朗克提出了量子假说，1905年，爱因斯坦发表了光的量子理论的著名论文，题为《关于光的产生和转化的启发性观点》。他指出，用连续空间函数表示能量的光波理论，应用到光的产生和转化现象时，会导致与经验相矛盾的结果。如果用光量子假说来解释黑体辐射、光致发光和光电效应等现象，似乎更容易理解。他发展了普朗克提出的能量量子概念，认为电磁辐射的能量可以分成小部分和“粒子”结果的小部分。这些能量粒子是光量子，简称光子。它的大小用hv表示。(H-普朗克常数，V-光的频率)。光量子适用于光的产生和转换的所有问题。在自由空间中，光量子是一个存在的“实体”。爱因斯坦用光量子的概念圆满地解释了经典物理理论无法解决的实验事实:光电效应。因为根据光的波动理论，它与光电效应的实验事实是矛盾的。第一，根据光的波动理论，在光的照射下，金属中的电子会吸收入射光的能量。从而从金属表面逸出。逃逸的初始动能应该是由光振动的振幅决定的，也就是由光的强度决定的。因此，光电子的初始动能应随入射光的强度而增加，这与光电效应的实验结果不符。其次，根据波动理论，如果光强足以供给金属释放光电子所需的能量，那么对各种频率的光都会发生光电效应，但实验事实是每种金属都有一个红色极限ν0。对于频率小于ν0的入射光，无论入射光有多强，都不可能发生光电效应。第三，根据光波，金属中的电子必须从入射波中积累能量到一定值后，才能释放电子。显然，入射光越弱，能量积累时间越长。但事实是，当一个物体受到光的照射时，不管光有多弱，只要频率大于红色极限频率，几乎立刻就会发射出光电子。

十年后，密立根的实验完全证实了爱因斯坦光电效应方程和理论的正确性，从而建立了光的量子理论。

六、光的粒子性

1923年美国物理学家康普顿在实验中发现，伦琴射线被轻原子散射后波长发生变化。后来被重原子散射时，也观察到了这种现象，此时的康普顿效应更加复杂。根据经典电磁理论，光是一种波长很短的电磁波。光的散射可以这样解释:电磁波通过物体时，会引起物体中带电粒子的受迫振动。吸收入射光的能量。每一个振动的带电粒子都可以看作是一个振动的电偶极子，向四周辐射，这就变成了散射光。根据光的波动理论，带电粒子的受迫振动频率应等于入射光的频率，因此散射光的频率应与入射光的频率相同。可见光的波动理论可以解释波长不变的散射。但不能解释康普顿效应。康普顿用光子的概念成功地解释了康普顿效应。他假设入射光由许多光子组成，这些光子不仅具有能量hv，还具有动量H ν/E，这个问题转化为一个普通的粒子碰撞问题，即具有动量和能量的光子与原本静止的电子发生碰撞。碰撞过程遵循能量守恒和动量守恒定律。这样的计算值与实验结果一致，从而证实了光确实有粒子。

七、光的物质性

光应该对被照亮的物体施加压力，这是开普勒在17世纪初解释彗星的尾部形状时提出的。1899年，俄罗斯物理学家列别捷夫(1866-1912)首次成功完成了光压实验，进一步证实了光的物质性。通过光压实验，有力地证明了。

八、光的本质的现代观点

由于几代人的努力，今天我们对光的本质有了更深刻、更全面的认识。光是一种物质，它具有波和粒子的性质，这就是所谓的波粒二象性。光是由光子组成的，光子在很多方面都具有经典粒子的性质，但光子出现的概率是按照波动光学的预言分布的。因为普朗克常数极小，所以低频的光子能量和动量都很小。在许多情况下，单个光子很难表现出可观测的效应。人们通常看到的是大量光子的统计行为。只有在一些特殊的场合，特别是涉及到光的发射和吸收的过程时，单个光子的粒子性才会清晰地显示出来，波长越短，粒子性越明显。