從認(rèn)識角度看待光的波粒二象性

孫明勇

摘 要：歷史上人們對光是一種波還是粒子進(jìn)行了大約300年的爭論，經(jīng)歷了一系列的認(rèn)識過程，最終確認(rèn)光具有波粒二象性。本文從認(rèn)識角度出發(fā)，簡要闡述光的波粒二象性的認(rèn)識過程。

關(guān)鍵詞：認(rèn)識;波動說;粒子說;光的波粒二象性

認(rèn)識是在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，主體對客體的能動反映。認(rèn)識是一種過程，是從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識，再從理性認(rèn)識到實(shí)踐，再認(rèn)識、再實(shí)踐，循環(huán)往復(fù)一種螺旋式上升的過程。歷史上人們對光的認(rèn)識經(jīng)歷了感性認(rèn)識、理性認(rèn)識、再認(rèn)識等一系列過程。

一、光的感性認(rèn)識

1、光是一種微粒

我們都知道光是沿直線傳播的，十七世紀(jì)時，有人發(fā)現(xiàn)光有時候并不是沿直線傳播的。意大利人格里馬第首先觀察到光的衍射現(xiàn)象。接著，胡克也觀察到衍射現(xiàn)象，然而只有波才會出現(xiàn)衍射現(xiàn)象。

1672年牛頓完成了著名的三棱鏡色散試驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)了牛頓環(huán)。他認(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。在《關(guān)于光和色的新理論》這篇論文里他用微粒說闡述了光的顏色理論。

胡克和牛頓分別從各自的實(shí)驗(yàn)中觀察并總結(jié)出了結(jié)論。胡克認(rèn)為光是波，而牛頓認(rèn)為光是粒子。關(guān)于光是波還是粒子的爭論就此拉開了序幕。

1678年惠更斯在《論光》一書中認(rèn)為光是在“以太”中傳播的波。運(yùn)用他的次波原理，不僅成功地解釋了反射、折射定律和方解石的雙折射現(xiàn)象，還解釋著名的“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)。而且舉出了一個例子來反駁微粒說：如果光是由粒子組成的，那么在光的傳播過程中各粒子必然互相碰撞，這樣一定會導(dǎo)致光的傳播方向的改變。

就在惠更斯積極的宣傳波動學(xué)說的同時，牛頓的微粒學(xué)說也逐步的建立起來。牛頓修改和完善了他的光學(xué)著作《光學(xué)》。在《光學(xué)》一書中，牛頓一方面提出了兩點(diǎn)反駁惠更斯的理由：第一，光如果是一種波，它應(yīng)該同聲波一樣可以繞過障礙物、不會產(chǎn)生影子;第二，波動說無法解釋光的雙折射現(xiàn)象。另一方面，牛頓把他的物質(zhì)微粒觀推廣到了整個自然界，并與他的質(zhì)點(diǎn)力學(xué)體系融為一體，為微粒說找到了堅強(qiáng)的后盾。

1704年，《光學(xué)》正式公開發(fā)行，此時的惠更斯與胡克已相繼去世，波動說一方無人應(yīng)戰(zhàn)。當(dāng)時的牛頓已成為無人能及的科學(xué)巨匠，人們對他的理論頂禮膜拜。整個十八世紀(jì)，幾乎無人向微粒說挑戰(zhàn)。

這一時期人們對光的認(rèn)識還處于感性的階段，在以牛頓為代表的微粒說占統(tǒng)治地位的同時，以惠更斯為代表的波動說也初步提出來了，為以后人們對光的進(jìn)一步認(rèn)識打下了基礎(chǔ)。

2、光是一種波

十八世紀(jì)末，英國著名物理學(xué)家托馬斯？楊開始對牛頓的光學(xué)理論產(chǎn)生了懷疑。1800年楊氏把光和聲音進(jìn)行類比，因?yàn)槎咴谥丿B后都有加強(qiáng)或減弱的現(xiàn)象，他認(rèn)為光是一種彈性振動，并且是以縱波形式傳播的。同時指出光的不同顏色和聲的不同頻率是相似的。1801年，楊氏進(jìn)行了著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得到的明暗相間的黑白條紋證明了光的干涉現(xiàn)象，從而證明了光是一種波。他在《哲學(xué)會刊》的論文中，分別對“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)和自己的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了解釋，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。1803年，楊氏根據(jù)光的干涉定律對光的衍射現(xiàn)象作了進(jìn)一步的解釋。

1808年，拉普拉斯用微粒說分析了光的雙折射線現(xiàn)象，批駁了楊氏的波動說。1809年，馬呂斯在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。在進(jìn)一步研究光的簡單折射中的偏振時，他發(fā)現(xiàn)光在折射時是部分偏振的。因?yàn)榛莞乖岢鲞^光是一種縱波，而縱波不可能發(fā)生這樣的偏振，這一發(fā)現(xiàn)成為了反對波動說的有利證據(jù)。

1811年，布呂斯特在研究光的偏振現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)定律。光的偏振現(xiàn)象和偏振定律的發(fā)現(xiàn)，使當(dāng)時的波動說陷入了困境，使物理光學(xué)的研究更朝向有利于微粒說的方向發(fā)展。

面對這種情況，楊氏對光學(xué)再次進(jìn)行了深入的研究，1817年，他提出了光是一種橫波的假說，比較成功的解釋了光的偏振現(xiàn)象。吸收了一些牛頓派的看法之后，他又建立了新的波動說理論。

1817年，巴黎科學(xué)院懸賞征求關(guān)于光的干涉的最佳論文。菲涅耳也卷入了波動說與微粒說之間的紛爭，他在楊氏新的理論基礎(chǔ)之上開始了研究。1819年，菲涅耳成功的完成了對由兩個平面鏡所產(chǎn)生的相干光源進(jìn)行的光的干涉實(shí)驗(yàn)，繼楊氏干涉實(shí)驗(yàn)之后再次證明了光的波動說。1819年底，在對光的傳播方向進(jìn)行定性實(shí)驗(yàn)之后，他與阿拉戈一道建立了光波的橫向傳播理論。

1862年，傅科用旋轉(zhuǎn)平面鏡法首先測量出光在空氣中速度與光在水中速度之比接近于4：3，證實(shí)了光在介質(zhì)（水）中速度小于光在空氣中的速度。這個實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是光微粒說和波動說著名的判決性實(shí)驗(yàn)，它給了光微粒說最有力地否定。

1882年，德國天文學(xué)家夫瑯和費(fèi)首次用光柵研究了光的衍射現(xiàn)象。在他之后，德國另一位物理學(xué)家施維爾德根據(jù)新的光波學(xué)說，對光通過光柵后的衍射現(xiàn)象進(jìn)行了成功的解釋。

至此，新的波動學(xué)說牢固的建立起來了，微粒說開始轉(zhuǎn)向劣勢。

二、從光的感性認(rèn)識上升到光的理性認(rèn)識

1864—1865年間，麥克斯韋在《電磁場的動力理論》這篇著名的論文中，用數(shù)學(xué)方法確立了一整套描述電磁場性質(zhì)的完整的方程組——克斯韋方程組。他從該方程組出發(fā)推導(dǎo)出變化的電場和變化的磁場構(gòu)成統(tǒng)一的電磁場，交替產(chǎn)生且以橫波的形式由近及遠(yuǎn)向空間傳播，形成電磁波，并且計算出電磁波的傳播速度等于光速。于是他大膽地推斷：光是一種波長極短的電磁波。

1886年，德國物理學(xué)家赫茲深入研究了電磁場理論，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了電磁波的存在。1888年，他在《論空氣中的電磁波和它的的反射》論文中，確證了電磁波的速度等于光速。并且證明了電磁波和光波一樣，具有反射、折射、偏振等物理性質(zhì)，且符合幾何光學(xué)的定律，從而完成了電波和光波的同一性的證明。赫茲的工作使人類對光本性認(rèn)識上的又一次深化。麥克斯韋和赫茲關(guān)于光和電磁波統(tǒng)一的工作，使得光波動說又一次取得了令人信服的勝利。

三、對光認(rèn)識的螺旋上升

19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，光學(xué)的研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)制中。當(dāng)人們利用光的電磁理論來解釋光和物質(zhì)相互作用的某些現(xiàn)象，遇到了且所未有的困難。比如，黑體輻射中能量按波長分布的問題，以及1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)。此時人們意識到對光本質(zhì)的認(rèn)識并不是完善的，需要對光的本質(zhì)進(jìn)再認(rèn)識。

1900年，普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。量子論不僅很自然地解釋了黑體輻射能量按波長分布的規(guī)律，而且以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個問題。

1905年，愛因斯坦運(yùn)用量子論解釋了光電效應(yīng)。1921年，康普頓在試驗(yàn)中證明了X射線的粒子性。后來人們也證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線具有波的性質(zhì)。

四、小結(jié)

一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運(yùn)動物體的光學(xué)現(xiàn)象確證了光是電磁波，使人們對光的認(rèn)識由感性認(rèn)識上升到了理性認(rèn)識;而另一方面人們在光的電磁理論基礎(chǔ)上研究光與物質(zhì)相互作用時遇到了困難，于是進(jìn)行了再認(rèn)識過程，熱輻射、光電效應(yīng)等證明了光的微粒性。簡單的說光在傳播過程中表現(xiàn)出來的是波動性，在與物質(zhì)相互作用時表現(xiàn)出來的是微粒性。也就是說光既有波動性又有微粒性，具有波粒二象性。最終光的波動說與微粒說之爭以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕，而對光的認(rèn)識卻沒有停止。

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（火箭軍士官學(xué)校）