光的本质和历史

光一直被认为是最小的物质。虽然是最特殊的物质，但是可以说探索光的本质就相当于探索物质的本质。历史上，整个物理学围绕着物质是波还是粒子展开。

光学的任务是研究光的本质及其辐射、传播和接收的规律。光与其他物质的相互作用(如物质对光的吸收和散射，光的机械作用以及光的热、电、化学和生理效应等。)以及光学在科学技术中的应用。先熟悉一下关于光的基础知识。

光的波动理论与粒子理论的争论

在物理光学的研究中，光的本质和光的颜色成为焦点。关于光的性质，笛卡尔在他的方法论的三个附录之一折射光学中提出了两个假设。一种假说认为，光是一种类似粒子的物质；另一种假说认为，光是一种以“以太”为媒介的压力。虽然笛卡尔更强调介质对光的影响和作用，但他的两个假说已经为后来的粒子论和波动论的争论埋下了伏笔。

17世纪中期，物理光学进一步发展。1655年，博洛尼亚大学的数学教授格里马·迪(grimma Di)在观察放置在光束中的小棍子的影子时，首次发现了光的衍射现象。基于此，他推测光可能是一种类似水波的流体。

Grimma设计了一个实验:让一束光穿过一个小孔，在一个黑暗的房间里，让这束光穿过小孔，照在一个屏幕上。他发现光线穿过小洞后，光影明显变宽了。Grimma做了进一步的实验。他让一束光穿过两个小孔，照射在暗室的屏幕上，然后他得到了一个有明暗条纹的图像。他认为这种现象与水波非常相似，并得出结论:光是一种可以在波中运动的流体，光的不同颜色是波动频率不同的结果。Grimma是第一个提出“光的衍射”概念的人，也是光的波动理论的最早倡导者。1663年，英国科学家波义耳提出，物体的颜色不是物体本身的性质，而是光线照射在物体上的效果。他首次记录了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹。这一发现与grimma的说法不谋而合，为后来的研究奠定了基础。不久后，英国物理学家虎克重复了格里姆的实验，通过观察肥皂泡薄膜的颜色，提出了“光是以太的纵波”的假设。根据这一假设，胡克也认为光的颜色是由其频率决定的。

但是，在1672年，伟大的牛顿在他的论文《光与颜色新论》中谈到了他的光色散实验:让太阳光穿过一个小孔，照在暗室的棱镜上，对面墙上就会得到一个色谱。他认为光的重组和分解就像不同颜色的粒子混合在一起又分离。在这篇论文中，他用粒子理论阐述了光的颜色理论。波动论和粒子论的第一次争论是由“光的颜色”这一导火索点燃的。此后，胡克和牛顿之间展开了一场漫长而激烈的争论。

1672年2月6日，由虎克担任主席，虎克和波义耳组成的英国皇家学会评审委员会对牛顿的论文《光和色的新理论》基本持否定态度。牛顿一开始并没有完全否定波动说，也不是粒子说的支持者。但是争论之后，牛顿在很多论文中反驳了胡克的波动理论。由于牛顿和胡克此时没有形成完整的理论，波动论和粒子论的争论没有完全展开。但科学论证就是这样。一旦他们出现，我们就应该追根究底。

惠更斯是荷兰著名的天文学家、物理学家和数学家，他支持波动理论，继承并完善了胡克的观点。惠更斯早年在天文学、物理学和技术科学方面做出了重要贡献，系统研究了几何光学。1666年，惠更斯被邀请到巴黎科学院，开始研究物理光学。在做院士期间，惠更斯去了英国，在剑桥遇到了牛顿。他们彼此非常欣赏，也就光的本质交换了意见，但此时惠更斯的观点更倾向于波动论，于是他和牛顿产生了分歧。正是这种差异激发了惠更斯对物理光学的强烈热情。回到巴黎后，惠更斯重复了牛顿的光学实验。他仔细研究了牛顿的光学实验和格林玛的第一个实验，认为有很多现象是粒子理论解释不了的。因此，他提出了一个比较完整的波浪理论。

惠更斯认为光是机械波；光波是一种通过物质载体传播的纵波，传播它的物质载体是“以太”；波面上的每一点本身就是引起介质振动的波源。根据这一理论，惠更斯证明了光的反射和折射定律，还解释了光的衍射和双折射现象以及著名的“牛顿环”实验。如果这些理论不容易理解，惠更斯引用了一个生活中的例子来反驳粒子理论。如果光是由粒子组成的，那么在光的传播过程中，粒子之间必然会发生碰撞，这必然会导致光传播方向的改变。但事实并非如此。

惠更斯积极推广波动理论的同时，牛顿的粒子理论也逐渐建立起来。牛顿修正并完善了他的光学著作《光学》。基于各种实验，在《光学》一书中，牛顿提出了两个反驳惠更斯的理由:第一，如果光是一种波，它应该能够绕过障碍物，不会像声波一样产生阴影；其次，冰洲石的双折射说明光在不同的面上有不同的性质，波动理论解释不了原因。另一方面，牛顿将他的物质粒子观扩展到整个自然界，并与他的粒子力学体系相融合，为粒子理论找到了强大的后盾。

为了不与虎克再有争论，光学在虎克死后的第二年(1704)正式发布。但此时惠更斯和虎克已经相继死去，波说没有人在战斗。牛顿因为对科学界的巨大贡献，成为当时无与伦比的一代科学巨匠。随着牛顿名声的提高，人们崇拜他的理论，重复他的实验，坚信和他一样的结论。整个十八世纪，几乎没有人挑战粒子，也很少有人对光的本质做进一步的研究。

18世纪末，在德国自然哲学的影响下，人们的思想逐渐解放。英国著名物理学家托马斯？杨开始怀疑牛顿的光学理论。根据一些实验事实，杨在1800写了一篇论文《光与谐的实验与问题》。本文杨比较轻调和级数，因为两者重叠后都是加强或减弱的。他认为光是在以太流中传播的弹性振动，并指出光是以纵波的形式传播的。他还指出，不同颜色的光和不同频率的声音是相似的。1801年，进行了杨氏著名的双缝干涉实验。实验中使用的白色屏幕上的黑白条纹证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。同年，杨在《英国皇家学会哲学杂志》上发表论文，分别对牛顿环实验和自己的实验进行了解释，首次提出了光干涉的概念和定律。

在1803，杨写了一篇论文《物理光学的实验与计算》。他根据光的干涉定律进一步解释了光的衍射现象，认为衍射是由直射光束和反射光束的干涉形成的。但是因为他认为光是一种纵波，所以在理论上遇到了很多麻烦。他的理论遭到了英国政治家布鲁厄姆的尖锐批评，称其“不合逻辑”、“荒谬”、“毫无价值”。

虽然杨的理论和后来的反驳没有得到足够的重视甚至诋毁，但他的理论引起了牛顿学派对光学研究的兴趣。

1808年，拉普拉斯用粒子理论分析了光的双折射现象，批驳了杨氏波动理论。

1809年，马吕斯在实验中发现了光的偏振。当进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振的。惠更斯曾提出，光是一种纵波，纵波不可能这样偏振。这一发现成为反对波动理论的有利证据。

1811年，吕斯特在研究光的偏振时，发现了偏振的光的经验定律。光的偏振和偏振定律的发现，使波动理论在当时处于两难境地，并使物理光学的研究朝着有利于粒子理论的方向发展。

面对这种情况，杨又对光学进行了深入的研究。1817年，他放弃了惠更斯关于光是纵波的理论，提出了光是横波的假设，成功地解释了光的偏振。在吸收了一些牛顿观点后，他建立了新的波浪理论。杨把他的新思想写给了牛顿学派的阿拉哥。

巴黎科学院奖励了关于光干涉的最佳论文。土木工程师菲涅尔也卷入了波动论和粒子论之争。1815年，菲涅尔试图复兴惠更斯的波动理论，但与当时杨氏关于衍射的论文无关。他在自己的论文中提出，各种波的干涉使得合成波具有显著的强度。实际上，他的理论与杨的正好相反。后来阿拉戈告诉他杨氏的新理论，光是一种剪切波，菲涅尔基于杨氏理论开始了他的研究。1819年，菲涅尔成功完成了两个平面镜产生相干光源的干涉实验，继杨氏干涉实验后再次证明了光的涨落理论。在跟随菲涅耳学习了一段时间后，阿拉戈转向了波动理论。1819年底，经过菲涅耳对光的传播方向的定性实验，他和阿拉戈建立了光波的横向传播理论。

1882年，德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象。在他之后，另一位德国物理学家施维尔德根据新的光波理论成功地解释了光通过光栅的衍射现象。

至此，新波浪理论已经牢固确立。粒子理论开始变得不利。

随着光的波动理论的建立，人们开始寻找光波的载体，以太理论再次活跃起来。一些著名的科学家已经成为以太理论的代表。然而，人们在寻找以太的过程中遇到了许多困难，于是提出了各种假说，以太成为十九世纪的焦点之一。

菲涅耳在研究以太的时候，发现横波的介质应该是一种固体，而如果以太是固体，怎么可能不干扰天体的自由运行呢？没过多久，泊松也发现了一个问题:如果以太是固体，那么光的横向振动中必然有纵向振动，这与新的光波理论相矛盾。

为了解决各种问题，柯西在1839中提出了以太第三理论，认为以太是负的可压缩介质。他试图解决泊松提出的困难。在1845中，斯托克斯用石蜡、沥青和树胶做了一个类比，试图说明有些物质足够坚硬，可以传播横向振动并压缩和伸展——所以它们不会影响天体的运动。

1887年，英国物理学家迈克尔逊和化学家莫雷通过“以太漂移”实验否定了以太的存在。但从那以后，仍然有许多科学家坚持对以太的研究。甚至在法拉第的光的电磁理论和麦克斯韦的光的电磁理论提出之后，很多科学家都致力于以太的研究。

19世纪中后期，波动论在光的波动论和粒子论的争论中取得了决定性的胜利。然而，人们在寻找光波载体时遇到的困难表明了波动理论面临的危机。

1887年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再次被证明！

二十世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子理论。1921年，爱因斯坦因“光的波粒二象性”的成就获得诺贝尔物理学奖。

1921年，康普顿在实验中证明了X射线的粒子性。1927，Gemel和后来的George？汤姆逊在实验中证明了电子束具有波动性。同时，人们还证明了氦原子射线、氢原子射线和氢分子射线都具有波的性质。

在新的事实和理论面前，光的波动论和粒子论之争以“光具有波粒二象性”而告一段落。

光的波动论与粒子论之争，始于17世纪初笛卡尔提出的两点假说，止于20世纪初光的波粒二象性，历时300余年。许多著名的科学家，如牛顿、惠更斯、托马斯·杨和菲涅尔，成了这场辩论双方的主要辩手。正是他们的努力，揭开了笼罩着“光的本质”的令人困惑的面纱。

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