揭開光神秘面紗

尹傳紅

對(duì)于光的研究（光學(xué)）是物理學(xué)中最古老的一個(gè)分支。它一直也是擁有許多思想、觀點(diǎn)的奇異對(duì)象。光的神秘面紗，歷經(jīng)多個(gè)世紀(jì)的研究才逐漸被揭開。

“讓牛頓見鬼去吧”

這是一次不同尋常的聚會(huì)。它之所以引發(fā)后世關(guān)注，只因有那么幾位英國文學(xué)界的名流，如此集中而又直率地道出了他們對(duì)科學(xué)的看法，抑或說敵意。

時(shí)間定格于1817年12月28日，地點(diǎn)是英國畫家、評(píng)論家本杰明·海頓位于倫敦的書齋。那一天，主人在把詩人約翰·濟(jì)慈介紹給另一位詩人威廉·華茲華斯、散文家和評(píng)論家查爾斯·蘭姆等人后，拿出了自己的新作向客人展示。畫面表現(xiàn)的是正待進(jìn)入耶路撒冷的耶穌，耶穌的身旁站著其信徒、科學(xué)家艾薩克·牛頓及懷疑論者伏爾泰。

“你不該畫牛頓！”略有醉意的蘭姆責(zé)備海頓說，“這家伙是個(gè)除了三棱鏡以外什么都不相信的人?！睗?jì)慈同意蘭姆的看法，稱牛頓把彩虹所有的詩意都破壞了，彩虹在其眼里只不過是光譜的排列而已，所以他在碰杯時(shí)提議：“讓牛頓見鬼去吧。”

“要抵制牛頓是不可能的！”海頓答道，“我們還得為牛頓的健康干杯，讓數(shù)學(xué)見鬼去吧。”

讓我們回到1666年的英國。那一年，23歲的牛頓做了探討光的本性的第一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。按照他本人的敘述，他購買了一塊玻璃棱鏡（用純玻璃制成的三角棱體），“以此來試驗(yàn)顏色現(xiàn)象”。為此他“弄暗我的房間，并在我的護(hù)窗板上開一小孔，讓適量的太陽光進(jìn)入，我將我的棱鏡放在陽光進(jìn)入處，于是光會(huì)因此折射到對(duì)面墻上?！?/p>

那時(shí)候，人們不相信顏色是光的基本特性之一，認(rèn)為那不過是光通過另一種物質(zhì)，如水、云彩或者玻璃時(shí)發(fā)生的變化。對(duì)于彩虹，人們也只是粗略地意識(shí)到，這是陽光在水滴內(nèi)的折射及反射造成的一種獨(dú)特現(xiàn)象。牛頓在實(shí)驗(yàn)中觀察到，那束折射到墻上的光不止是變寬的光點(diǎn)，而是一條以大家十分熟悉的彩虹順序——紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫排列的彩色光帶，其長度要比其寬度大許多倍。

這些顏色色譜難道是由棱鏡產(chǎn)生的嗎？牛頓讓這條“虹帶”通過反向放置的第二個(gè)棱鏡（用透鏡來取代），以使這些色光重新結(jié)合，結(jié)果它們真的變成了白光（點(diǎn)）。

在做過更多的實(shí)驗(yàn)之后，牛頓形成了這樣一種觀點(diǎn)：顏色肯定是光的基本組成要素。普通白光是幾種不同顏色的光線的混合物，這些光在各自單獨(dú)作用于眼睛時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不同的色覺。每一種顏色都有獨(dú)特的、不同的折射率。組成白光的各種成分散開而成的光帶，稱為“光譜”。光譜的伸長是由于玻璃對(duì)這些不同的光線折射本領(lǐng)不同。

牛頓實(shí)際上也揭開了物質(zhì)的顏色之謎：原來，物質(zhì)的色彩，是不同顏色的光在物體上有不同的反射率和折射率造成的。

兩大學(xué)說的初次角力

色散實(shí)驗(yàn)讓牛頓一舉成名，同時(shí)也促使他認(rèn)真思考光的本質(zhì)。1672年，在被選入英國皇家學(xué)會(huì)后，牛頓立即提交了他的研究成果——《關(guān)于光和顏色的理論》論文，并發(fā)表在《皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)雜志》上，這是他第一次公開發(fā)表的論文。

在這篇論文中，牛頓提出了光的“微粒學(xué)說”，認(rèn)為光是由高速運(yùn)動(dòng)的細(xì)小粒子（微粒）組成的。這些微粒從光源發(fā)射，就像子彈從槍膛射出來一樣。或者說，光是一束從發(fā)光體運(yùn)動(dòng)到眼睛的粒子流。這可以解釋為什么光按直線前進(jìn)，并能投下清晰的影子。他還用微粒學(xué)說闡述了光的顏色理論，認(rèn)為光的復(fù)合和分解就像不同顏色的微粒混合在一起又被分開一樣。

可是，這一學(xué)說卻無法解釋一些顯而易見的事實(shí)。比如，為什么綠色的光比黃色的光折射得厲害？為什么兩束光可以彼此交叉通過而互不干擾，即為什么組成光的粒子不會(huì)互相碰撞？牛頓同代人中的一些杰出學(xué)者，也很難接受他的光具有數(shù)種不同的、獨(dú)立的、不能互相轉(zhuǎn)變的顏色，并為某一確定的可折射性所表征的學(xué)說——它似乎很容易就能被這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)所駁倒：兩種顏色的顏料相混合可以產(chǎn)生第三種顏色的顏料。

正因如此，光的微粒學(xué)說甫一問世就遭到了激烈的反對(duì)。由著名物理學(xué)家羅伯特·胡克和著名化學(xué)家羅伯特·波意耳等組成的英國皇家學(xué)會(huì)評(píng)議委員會(huì)，對(duì)牛頓提交的光學(xué)論文基本上持否定的態(tài)度。波意耳指出，物體的顏色并非物體本身的性質(zhì)，而是光照射在物體上產(chǎn)生的效果。他還第一次記載了肥皂泡和玻璃球表面的彩色條紋。

反對(duì)方手中一個(gè)更為有力的“殺手锏”，是意大利物理學(xué)家弗朗西斯科·格里馬迪于1665年設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)：他讓一束光通過兩個(gè)前后排列的狹縫后，投射到暗室里的一個(gè)空白屏幕上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，呈現(xiàn)出的光帶比進(jìn)入第一道縫時(shí)的光束略微寬些。就此他認(rèn)為，這束光在狹縫邊緣向外有所彎曲，而且顯然是光線繞過障礙的一種情況。他把這一現(xiàn)象稱為“衍射”。

隨后在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，格里馬迪又得到了有明暗條紋的光影圖像。他覺得這種現(xiàn)象與水波十分相像，并由此推斷：光可能是一種能夠做波浪式運(yùn)動(dòng)的流體，光的不同顏色可能是波動(dòng)頻率不同的結(jié)果。

格里馬迪實(shí)則成了光的“波動(dòng)說”最早的倡導(dǎo)者。胡克在重復(fù)了格里馬迪的實(shí)驗(yàn)，自己又對(duì)肥皂泡膜上的顏色進(jìn)行觀察后，提出了“光是‘以太’（ether）的一種縱向波”的假說。

牛頓的這張手稿圖，說明了三棱鏡是如何折射光的

色散實(shí)驗(yàn)讓牛頓一舉成名，同時(shí)也促使他認(rèn)真思考光的本質(zhì)。1672年，在被選入英國皇家學(xué)會(huì)后，牛頓立即提交了他的研究成果——《關(guān)于光和顏色的理論》論文，并發(fā)表在《皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)雜志》上，這是他第一次公開發(fā)表的論文。

在這篇論文中，牛頓提出了光的“微粒學(xué)說”，認(rèn)為光是由高速運(yùn)動(dòng)的細(xì)小粒子（微粒）組成的。這些微粒從光源發(fā)射，就像子彈從槍膛射出來一樣。或者說，光是一束從發(fā)光體運(yùn)動(dòng)到眼睛的粒子流。這可以解釋為什么光按直線前進(jìn)，并能投下清晰的影子。他還用微粒學(xué)說闡述了光的顏色理論，認(rèn)為光的復(fù)合和分解就像不同顏色的微?；旌显谝黄鹩直环珠_一樣。

可是，這一學(xué)說卻無法解釋一些顯而易見的事實(shí)。比如，為什么綠色的光比黃色的光折射得厲害？為什么兩束光可以彼此交叉通過而互不干擾，即為什么組成光的粒子不會(huì)互相碰撞？牛頓同代人中的一些杰出學(xué)者，也很難接受他的光具有數(shù)種不同的、獨(dú)立的、不能互相轉(zhuǎn)變的顏色，并為某一確定的可折射性所表征的學(xué)說——它似乎很容易就能被這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)所駁倒：兩種顏色的顏料相混合可以產(chǎn)生第三種顏色的顏料。

正因如此，光的微粒學(xué)說甫一問世就遭到了激烈的反對(duì)。由著名物理學(xué)家羅伯特·胡克和著名化學(xué)家羅伯特·波意耳等組成的英國皇家學(xué)會(huì)評(píng)議委員會(huì)，對(duì)牛頓提交的光學(xué)論文基本上持否定的態(tài)度。波意耳指出，物體的顏色并非物體本身的性質(zhì)，而是光照射在物體上產(chǎn)生的效果。他還第一次記載了肥皂泡和玻璃球表面的彩色條紋。

反對(duì)方手中一個(gè)更為有力的“殺手锏”，是意大利物理學(xué)家弗朗西斯科·格里馬迪于1665年設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)：他讓一束光通過兩個(gè)前后排列的狹縫后，投射到暗室里的一個(gè)空白屏幕上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，呈現(xiàn)出的光帶比進(jìn)入第一道縫時(shí)的光束略微寬些。就此他認(rèn)為，這束光在狹縫邊緣向外有所彎曲，而且顯然是光線繞過障礙的一種情況。他把這一現(xiàn)象稱為“衍射”。

隨后在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，格里馬迪又得到了有明暗條紋的光影圖像。他覺得這種現(xiàn)象與水波十分相像，并由此推斷：光可能是一種能夠做波浪式運(yùn)動(dòng)的流體，光的不同顏色可能是波動(dòng)頻率不同的結(jié)果。

格里馬迪實(shí)則成了光的“波動(dòng)說”最早的倡導(dǎo)者。胡克在重復(fù)了格里馬迪的實(shí)驗(yàn)，自己又對(duì)肥皂泡膜上的顏色進(jìn)行觀察后，提出了“光是‘以太’（ether）的一種縱向波”的假說。

愛因斯坦假說“一統(tǒng)江湖”

笛卡兒和胡克關(guān)于光的性質(zhì)的觀點(diǎn)，很快就被荷蘭著名的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和天文學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯所借鑒并加以發(fā)揮。

惠更斯提出：光是一種機(jī)械振蕩波，波面上的各點(diǎn)本身就是引起媒介物質(zhì)振動(dòng)的波源。荷載光波的媒介物質(zhì)（以太）應(yīng)該充滿包括真空在內(nèi)的全部空間，并能滲透到通常的物質(zhì)之中。1678年，惠更斯向法國皇家科學(xué)院提交了他的光學(xué)論著《光論》。此書系統(tǒng)地闡述了光的波動(dòng)理論。

孤傲的牛頓自然不會(huì)輕易認(rèn)“輸”。不過，為了避免那位一直跟他過不去的胡克的糾纏（后來這對(duì)互相敵視的冤家還為引力定律等爭(zhēng)吵多年），他一度沒有公開他的光學(xué)研究進(jìn)展。1704年，即胡克去世的第二年，牛頓才出版了他的《光學(xué)》一書。書中他陳述了波動(dòng)說的幾種不足：

波動(dòng)說不能很好地解釋光的直線傳播和光在方解石中的雙折射現(xiàn)象;波動(dòng)說依賴于介質(zhì)的存在，可并沒有什么證據(jù)表明天空中確有這樣的介質(zhì)。

進(jìn)入19世紀(jì)后，微粒說與波動(dòng)說之爭(zhēng)又現(xiàn)波瀾。

英國物理學(xué)家和內(nèi)科醫(yī)生托馬斯·楊在1800年左右做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：讓光從一個(gè)很小但很亮的光源射出，再經(jīng)過兩個(gè)極窄的矩形裂口到達(dá)一塊屏幕上。如果光是由粒子構(gòu)成的話，那么，屏幕上的光應(yīng)該是兩個(gè)矩形的小光圈。

然而，楊發(fā)現(xiàn)的卻是明暗相間的黑白條紋。這些光帶，正是大約140年前格里馬迪曾注意到的那種繞角衍射引起的，而微粒說對(duì)此并不能做出解釋。

之后，楊在《關(guān)于光與聲的實(shí)驗(yàn)和問題》的論文中提出了否定微粒說的幾個(gè)理由：第一，強(qiáng)光和弱光源所發(fā)出的光線有同樣的速度，這用微粒說不好解釋;第二，光線由一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，一部分被反射，而另一部分被折射，用微粒說解釋也很牽強(qiáng)。

一時(shí)間，微粒說被逼到了死角。

可是，1808年，法國物理學(xué)家路易斯·馬呂斯無意中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象（光波在某一特定的平面上振動(dòng)），而被視為縱波的光，是不可能發(fā)生這樣的偏振的。這一發(fā)現(xiàn)即刻成了反對(duì)波動(dòng)說的有力證據(jù)。

隨后，楊經(jīng)過進(jìn)一步研究，提出光是一種橫波，并借此成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象，波動(dòng)說才得以擺脫困境。

1864年，英國物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋提出了電磁波的概念和一個(gè)新的理論——“場(chǎng)論”，推測(cè)“光本身（包括輻射熱和其他輻射）是一種電磁干擾，它是波的形式，并按照電磁定律通過電磁場(chǎng)傳播”。

隨著光的電磁理論的建立、檢驗(yàn)以太理論的“邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)”以失敗告終，及至愛因斯坦的狹義相對(duì)論在20世紀(jì)初問世，以太終于退出了科學(xué)舞臺(tái)。人們開始接受電磁場(chǎng)本身就是物質(zhì)存在的一種形式的概念，而場(chǎng)可以在真空中以波的形式傳播。

特別是，愛因斯坦在他1905年發(fā)表的有關(guān)“光電效應(yīng)”的論文中引入“光量子”（后稱“光子”）概念，提出光的量子假說，認(rèn)為光同時(shí)具有波動(dòng)和粒子兩種特性——所謂“波粒二象性”，這才真正化解了微粒說與波動(dòng)說長達(dá)數(shù)百年的爭(zhēng)執(zhí)。這一理論成為量子力學(xué)發(fā)展中的一個(gè)里程碑，也為愛因斯坦贏得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

光譜儀的發(fā)明

光學(xué)的發(fā)展極大地推動(dòng)了人類社會(huì)的進(jìn)步。1859年，德國化學(xué)家羅伯特·本生與古斯塔夫·基爾霍夫一起發(fā)明了光譜儀。它可分析每一種元素所產(chǎn)生的獨(dú)特光譜，被頻繁用于化學(xué)中不同物質(zhì)的識(shí)別和區(qū)分。