“光的本質(zhì)”之爭

宋文廣

摘要：光是我們每個(gè)人“見的最多”和“用的最多”的東西。我們雖然每天都用得理所當(dāng)然，但很少有人靜心去想想光的本質(zhì)是什么，什么叫光。文章主要通過光學(xué)發(fā)展史上一些重要的事件和人物，向大家簡單介紹一下人類對(duì)于光的認(rèn)識(shí)過程和光的本質(zhì)之爭。

關(guān)鍵詞：光;光學(xué);認(rèn)識(shí);本質(zhì)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）51-0066-02

光自古以來被認(rèn)為是宇宙最原始的事物之一，比如在西方的《圣經(jīng)》中，神要?jiǎng)?chuàng)造世界，首先也要?jiǎng)?chuàng)造光，再比如大家日常生活耳熟能詳?shù)纳裨捁适轮校蚕矚g說“一道亮光劃過宇宙，于是有了世間萬物”。光在人們心中的地位無與倫比，世界各國都有相關(guān)的故事和傳說流傳，也有相關(guān)的神祇受到崇拜。光是我們每個(gè)人“見得最多”和“用得最多”的東西，可以想想：沒有光的世界將是什么樣？我們每天都享受著光帶來的恩賜，但光的本質(zhì)是什么？什么是光？我們?cè)趺纯匆姽?？這一切仔細(xì)想來確實(shí)很奇妙，光看得見但摸不著，感覺似乎憑空被創(chuàng)造，既覺得簡單又仔細(xì)想來很深?yuàn)W，那么這一切到底是如何發(fā)生的呢？

一、光的早期認(rèn)識(shí)和光學(xué)學(xué)科的建立

古希臘時(shí)代，人們猜想光是一種從眼睛里射出去的東西，人的眼睛是由女神阿芙洛蒂忒用火點(diǎn)燃的，當(dāng)火元素噴出到達(dá)物體時(shí)，就所謂“看見”了物體，現(xiàn)在我們顯然覺得這種假設(shè)不對(duì)，比如這種觀點(diǎn)不能解釋在黑暗的環(huán)境里為什么睜開眼睛也看不到物體的事實(shí)。當(dāng)時(shí)人們?yōu)榱私鉀Q這些疑問和困難，又繼續(xù)引進(jìn)很多其他更加復(fù)雜的假設(shè)，比如古希臘代表人物——著名哲學(xué)家柏拉圖，他把光分為三種，即人眼發(fā)出的光、物體發(fā)出的光和光源發(fā)出的光，認(rèn)為視覺是這三種光綜合作用的結(jié)果，這種結(jié)論和假設(shè)現(xiàn)在想來不太符合科學(xué)極簡主義原則，顯然太過于復(fù)雜。

對(duì)光成像正確的認(rèn)識(shí)直到公元1000年左右，科學(xué)家哈桑研究了光進(jìn)入眼球后的折射效果和著名的小孔成像實(shí)驗(yàn)（注：其實(shí)兩千四五百年前，中國的墨子和他的學(xué)生就做了小孔成像實(shí)驗(yàn)，《墨經(jīng)》中有記載許多光學(xué)現(xiàn)象，例如投影、小孔成像、平面鏡、凸面鏡、凹面鏡等），最終對(duì)光成像形成了正確的認(rèn)識(shí)：我們之所以能看到物體，只是由于光從物體上反射進(jìn)我們眼睛里的結(jié)果。哈桑的阿拉伯語的著作《光學(xué)全書》隨后被翻譯傳入西方，并被培根發(fā)揚(yáng)光大，從而為現(xiàn)代光學(xué)的建立打下了基礎(chǔ)，于是人們開始紛紛研究光的各種傳播行為，如歐兒里得（Euclid，公元前約330—260）的《反射光學(xué)》研究了光的反射，托勒密、哈桑和開普勒分別對(duì)光的折射進(jìn)行研究，斯涅耳在前人工作的基礎(chǔ)上1621年總結(jié)出光的折射定律，最終光的各種性質(zhì)被法國“業(yè)余數(shù)學(xué)之王”費(fèi)馬用最簡潔的語言——“光總是走最短路線”進(jìn)行總結(jié)，從而光學(xué)作為一門物理學(xué)科終于被正式確立，也奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。

就當(dāng)人們感覺對(duì)光的各種傳播行為非常了解的時(shí)候，其實(shí)關(guān)于光有一個(gè)最基本的問題仍然沒有解決，那就是“光的本質(zhì)是什么”。這個(gè)問題乍聽起來沒有那么困難去回答，但是后來我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于這個(gè)問題的回答持續(xù)和爭論了幾百年，也帶動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展。

二、光的本質(zhì)是什么？

古希臘時(shí)代，人們把光看成是細(xì)小的粒子流，這種說法很符合當(dāng)時(shí)的“元素說”，這也是最早的關(guān)于光的本質(zhì)的“微粒說”，這種說法直觀看起來很有道理，可以解釋光的直線傳播、反射甚至折射，但也有一些問題不能解釋，比如：人們當(dāng)時(shí)很難說清楚兩束光相遇，如果光是微粒，那么為什么不會(huì)發(fā)生碰撞而彈開，還比如光源點(diǎn)亮之前這些粒子隱藏于何處、粒子的數(shù)量是多少等。

黑暗的中世紀(jì)過去之后，人們對(duì)自然界的探索更進(jìn)一步，波動(dòng)現(xiàn)象被深入地了解和研究，并進(jìn)一步深入人心，如認(rèn)為聲音是一種波動(dòng)等。1665年，意大利數(shù)學(xué)家格里馬第做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他讓一束光通過兩個(gè)小孔后發(fā)現(xiàn)投影的邊緣有一種明暗條紋，他馬上聯(lián)想起水波的衍射圖樣，猜想光可能和水波相似，光可能是一種波，如果光是波的話，很容易解釋條紋存在，這是最早的關(guān)于光的本質(zhì)的“波動(dòng)說”。但是“波動(dòng)說”有一個(gè)基本的難題：當(dāng)時(shí)人們認(rèn)識(shí)的波是需要介質(zhì)傳播的，但是光好像不需要任何介質(zhì)就可以傳播，如星光可以穿過太空來到地球被人眼所看到，這對(duì)“波動(dòng)說”顯然非常不利，然而“波動(dòng)說”很巧妙地?cái)[脫了這個(gè)難題，假設(shè)了一種所謂的“以太”介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)光的傳播。在這種假設(shè)中“波動(dòng)說”正式登上歷史舞臺(tái)，命中注定要和“微粒說”展開一場(chǎng)長達(dá)數(shù)個(gè)世紀(jì)的戰(zhàn)爭。

三、關(guān)于光的本質(zhì)的“波粒大戰(zhàn)”

開始由于“波動(dòng)說”和“微粒說”雙方力量都比較薄弱，并且都能解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，雙方都擁有自己的陣地，起初并沒有發(fā)生沖突。

導(dǎo)致歷史上“第一次波粒戰(zhàn)爭”的導(dǎo)火索是關(guān)于物體顏色屬性之爭。1663年，波義耳提出一個(gè)理論：物體的顏色不是物體的本身屬性，而是光照上去才產(chǎn)生的效果，并且記錄了肥皂泡和玻璃球中的彩色條紋，此后胡克重做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，判斷光必定是某種快速的脈沖，并且在他1665年出版的《顯微術(shù)》中明確支持“波動(dòng)說”，由于這位權(quán)威大將的加入，“波動(dòng)說”似乎一時(shí)占了上風(fēng)。1672年初，一位叫牛頓的年輕人因?yàn)橹圃斐鲆慌_(tái)杰出的望遠(yuǎn)鏡而當(dāng)選皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員，當(dāng)時(shí)牛頓只有29歲，雄心勃勃，意氣風(fēng)發(fā)，正準(zhǔn)備在光學(xué)和儀器方面大展拳腳，1672年提交了一篇論文《光和色的新理論》，其內(nèi)容是關(guān)于他的三棱鏡色散實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為白色光是由七色光混合而成，在其中的理論部分牛頓認(rèn)為光的復(fù)合和分解是不同顏色微粒的混合和分開，《光和色的新理論》一文遭到以胡克為主席的皇家學(xué)會(huì)評(píng)議委員會(huì)的一致批評(píng)，胡克作為當(dāng)時(shí)光學(xué)和儀器方面的權(quán)威給牛頓來了一個(gè)下馬威，牛頓勃然大怒，花了四個(gè)月時(shí)間寫了一篇洋洋灑灑的文章進(jìn)行駁斥，從而胡克大言不慚在前，牛頓惡語相譏在后，不可避免地成為終身死敵。雖然之前微粒只有牛頓的一個(gè)假設(shè)，牛頓也沒有完全否定“波動(dòng)說”，但隨著胡克和牛頓兩人的關(guān)系進(jìn)一步惡化，牛頓開始一邊倒地支持“微粒說”，導(dǎo)致歷史上第一次“波動(dòng)說”和“微粒說”沖突的開始。

隨后荷蘭科學(xué)家惠更斯登上歷史舞臺(tái)，他繼承了胡克的“光是一種在以太里傳播的縱波”的思想，并引入了波前的概念，成功地證明了光的反射和折射定律，解釋了光的衍射、雙折射，甚至可以解釋1675年牛頓發(fā)現(xiàn)的“牛頓環(huán)”，特別是1690年惠更斯的偉大著作《光論》的出版，標(biāo)志“波動(dòng)說”達(dá)到興盛的頂點(diǎn)。

但是“波動(dòng)說”的得勢(shì)注定要成為泡沫，1704年（胡克死后第二年）牛頓劃時(shí)代的輝煌巨著《光學(xué)》出版，書中駁斥了波動(dòng)理論，詳盡地闡述了光的色彩疊合和分散，以力學(xué)體系作為強(qiáng)大后盾，從粒子的角度解釋了薄膜透光、牛頓環(huán)和衍射實(shí)驗(yàn)的種種現(xiàn)象，提出了波動(dòng)理論無法解釋的問題，至于粒子方面的難題，牛頓也用自己的天才加以解決。由于當(dāng)時(shí)的牛頓已經(jīng)成為科學(xué)史上神話般的人物，而波動(dòng)大軍無人應(yīng)戰(zhàn)，因此“第一次波粒大戰(zhàn)”以波動(dòng)的慘敗而結(jié)束，波動(dòng)被迫轉(zhuǎn)為地下，整整一個(gè)世紀(jì)抬不起頭。

轉(zhuǎn)眼一個(gè)世紀(jì)又過去了，當(dāng)人們差不多都忘記了“波動(dòng)說”的時(shí)候，一個(gè)英國男孩的誕生改變了這一切，1807年托馬斯·楊總結(jié)出版了《自然哲學(xué)講義》，其中綜合整理了光學(xué)方面的工作，并且第一次描述了他那個(gè)名揚(yáng)四海的實(shí)驗(yàn)——楊氏雙縫干涉，點(diǎn)燃了“第二次波粒大戰(zhàn)”的導(dǎo)火索。

隨后，1821年菲涅爾發(fā)表了《關(guān)于偏振光線的相互作用》，用橫波理論成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象，從而攻克了波動(dòng)學(xué)說最難征服的據(jù)點(diǎn)，導(dǎo)致了“微粒說”在偏振問題上的失守。1850年傅科準(zhǔn)確地得出光在真空中的速度之后，又進(jìn)行了水中測(cè)量，發(fā)現(xiàn)光在水中傳播速度小于真空中的速度，此結(jié)果徹底宣判“微粒說”的死刑（注：“微粒說”認(rèn)為水中傳播速度大于真空中的速度）。

然而“波動(dòng)說”有個(gè)甩不掉的尾巴——“以太”，當(dāng)然這個(gè)困惑也沒有持續(xù)太久，勝利時(shí)刻也即將來臨，偉大的科學(xué)家麥克斯韋分別于1856年、1861年和1865年發(fā)表了三篇關(guān)于電磁理論的論文，電磁理論預(yù)言：光是電磁波的一種，1887年，赫茲通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了麥克斯韋的預(yù)言。

至此，關(guān)于光的本質(zhì)的爭論似乎畫上一個(gè)圓滿的句號(hào)，光的波動(dòng)本質(zhì)似乎成為一個(gè)板上釘釘?shù)氖聦?shí)，但是事實(shí)并非如此，1905年愛因斯坦在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出“光量子”觀點(diǎn)，并且發(fā)表論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)推測(cè)性觀點(diǎn)》，表明光仍具有“粒子性”的一面。

關(guān)于“光的本質(zhì)”之爭持續(xù)大約三百年，這也許是物理史上持續(xù)時(shí)間最長和程度最激烈的一場(chǎng)論戰(zhàn)，它貫穿光學(xué)發(fā)展的全過程，雖然過程驚心動(dòng)魄和跌宕起伏，但它使整個(gè)物理學(xué)發(fā)生翻天覆地的變化，促進(jìn)了整個(gè)光學(xué)乃至物理學(xué)的發(fā)展。

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