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波动性和粒子性之争光学早期发展简史光的本性学科教学（物理）陈伊凡2014.4.22光学早期发展简史“景，光之人，照若射；下者之人也高，高者之人也下。足蔽下光，故成景于上，首蔽上光，故成景于下。”……公元前5世纪，中国春秋战国时期哲学家墨子：最早发现和研究“小孔成像”精辟地分析了光的直线传播特性。《墨经》的八条光学资料—世界光学史上最早的光学记录—墨家完备的光学体系光学早期发展简史公元前4世纪，古希腊数学家欧几里德在他的《光学》著作里总结了到他那时为止已有的关于光现象的知识和猜测。光的直线传播定律和光的反射定律：在眼睛和被观察物体之间行进的光线是直线；当光从一个平面反射时,入射角和反射角相等。欧几里得(公元前330年—前275年）上页下页光学早期发展简史下页上页托勒密（公元90～168）公元2世纪，古希腊天文学家、地理学家和光学家托勒密最早做了光的折射实验，在他的重要著作《光学》中：提出和说明了各种基本原理，依靠经验发现了折射规律，绘出了光线以各种入射角从光疏媒介进入水的折射表但没有得出精确的折射定律。光学早期发展简史公元13世纪，英国唯物主义思想家、伟大的科学家罗吉尔·培根对光学的贡献：研究了凸透镜的放大效果以及光的反射和折射规律。证实了虹是太阳光照射空气中的水珠而形成的自然现象。培根（1214~1292）公元15-16世纪，意大利科学家达·芬奇在光学方面的贡献：描述了光是如何通过不同表面反射的眼睛是如何感觉反射并判断距离的，人类的眼睛是如何接受透视的，光投射在物体上是如何产生阴影的。公元17世纪，德国天文学家数学家开普勒对光折射现象的研究：对于两种给定的媒质，小于30度的入射角同相应的折射角成近似固定的比，对于玻璃或水晶，这个比约为3:2这个比对于大的入射角不成立。开普勒试图通过实验发现精确的折射定律，却没有得到其中有规律性的联系。其研究为后来斯涅耳得出折射定律起到了启示作用。光学早期发展简史光学早期发展简史1621年，荷兰数学家斯涅耳在实验中注意到了水中的物体看起来象漂浮的现象，由此引出了他对折射现象的研究，并发现了光的折射定律—“斯涅耳定律”，但当时未做任何理论推导，虽然正确却未正式公布。斯涅耳（1591～1626）光学早期发展简史1637年，法国数学家、物理学家、哲学家笛卡儿在他的《屈光学》书中提出了著名的折射定律。他从一些假设出发，并从理论上进行了推导，即光的入射角与折射角的正弦之比为常数，由此而奠定了几何光学的基础。笛卡尔(1596—1650)1679年，费马得到了光在介质中传播所走路径的光程极值的原理，即著名的费马定理。“光”是什么物质？自公元前5世纪到公元十七世纪，经过了两千多年的漫长时期，人们对光的几何性质有了比较清楚的认识，获得了光的直线传播、反射定律和折射定律等基本定律。进一步，人们开始思考“光是什么”的问题。关于“光的本性”的探索：微粒说和波动说的斗争与发展光的本性—波动说的产生最早的光波动说:1655年，格里马第在实验中让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，他发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像，格里马第马上联想起了水波的衍射，于是提出：“光可能是一种类似水波的波动”格里马第认为，物体颜色的不同，是因为照射在物体上的光波频率的不同引起的。格里马第（1618-1663）格里马第的实验引起了英国物理学家胡克的兴趣，胡克重复了格里马第的工作，并仔细观察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉。胡克判断，光必定是某种快速的脉冲，提出了“光是以太的一种纵向波”的假说，同时他也认为光的颜色是由其频率决定的。胡克（1635-1703）胡克对“光波动说”的贡献光的本性—波动说的产生笛卡儿最早提出光的微粒模型，后来牛顿成为微粒说的代表人物。他们认为光是一种微粒流，微粒从光源飞出来，在均匀介质内遵循力学定律做等速直线运动。微粒说能够解释光的直线传播、光的反射和折射定律。笛卡儿（1596～1650）光的本性—微粒说的出现惠更斯是微粒说的反对者，他发展了光的波动说，认为“光同声一样，是以球形波面传播的”，并且认为光振动是在一种特殊介质——“以太”中传播的“弹性脉动”，“以太”充满整个宇宙空间。惠更斯（1629～1695）波动说成功地解释了光的反射和折射现象，还解释了晶体的双折射现象。光的本性—波动说的发展牛顿的“微粒说”与惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论，并由此而产生激烈的争议和探讨，科学家们就光是波动还是微粒这一问题展开了一场旷日持久的拉锯战。整个18世纪，微粒说与波动说之间的争论一直持续，因牛顿在学术界的权威和盛名，“微粒说”一直占据着主导地位。波动说基本上处于停滞状态，微粒说占据统治地位。光的本性—波动说与微粒说的对立托马斯-杨（1773～1829）1801年，英国物理学家托马斯-杨进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，证明了光是一种波。杨氏进而提出了“光的干涉”概念和光的“干涉定律”。1803年，托马斯杨根据光的干涉定律对光的衍射现象作出了解释。光的本性—波动说的发展杨氏的理论激起了牛顿学派对光学研究的兴趣。1808年，拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射现象，批驳了杨氏的波动说。1809年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。在光在折射中的偏振现象时，他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证据。光的本性—微粒说的发展1811年，布儒斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象经验定律。光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展。光的本性—微粒说的发展面对微粒说的挑战，托马斯杨对光学进行了更深入的研究。1817年，他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法，提出了光是一种横波的假说，比较成功的解释了光的偏振现象。吸收了一些牛顿派的看法之后，他又建立了新的波动说理论。光的本性—波动说的发展菲涅耳（1788～1827）1819年，菲涅耳成功的完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验，继杨氏干涉实验之后再次证明了光的波动说。菲涅耳在惠更斯波动说的基础上，用定量形式建立起了以他们的姓氏命名的“惠更斯－菲涅耳原理”。同时，对光的偏振现象加以研究，建立了双折射理论，奠定了晶体光学的基础。光的本性—波动说的发展至此，新的波动学说牢固的建立起来了，光的弹性波动理论既能说明光的直线传播也能解释光的干涉和衍射现象并且横波的假设又可解释光的偏振现象．看来似乎十分圆满了，微粒说开始转向劣势。但这时仍把光的波动看作是“以太”中的机械弹性波动，至于“以太”究竟是怎样的物质，尽管人们赋予它许多附加的性质，仍难自圆其说。这样，光的弹性波理论存在的问题也就暴露出来了，于是各种假说纷纷提出。光的本性—“以太”及有关假说(波动说与微粒说的再次对立)麦克斯韦（1831～1879）1860年，麦克斯韦通过对电磁现象的研究，建立了电磁学，并将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而确立了波动说的地位。1887年，赫兹用实验证实了电磁波的存在，也证实了光其实是电磁波的一种，两者具有共同的波的特性。后来的实验又证明，红外线、紫外线和X光都是电磁波，其区别只是波长不同。光的本性—光的电磁理论光的电磁理论以大量无可辩驳的事实赢得了普遍的公认。但是，光电磁理论的建立并没有动摇“以太”的信念，只是以电磁“以太”代替了弹性“以太”。洛伦兹认为，电磁“以太”是一种无处不在充满广阔空间的不动的介质，其唯一的特征是，在这种介质中光振动具有恒定的传播速度。但是，对电磁“以太”的寻找却不顺利，试验结果和理论预测之间往往会得出截然相反的结论，使得“以太”理论陷入困境。光的本性—光的电磁理论1905年9月，爱因斯坦发表了的“关于运动介质的电动力学”一文。提出了光速不变原理和狭义相对论，从根本上抛弃了“以太”的概念，圆满地解释了运动物体的光学现象。这是人们才认识到：电磁波的传播不需要任何物质，电磁本身就是一种物质，它携带着能量以波的形式传播着，所以电磁波是一种物质波。爱因斯坦（1879～1955）光的本性—光的电磁波理论十八世纪末期，经典光学已经达到了非常完善的程度，它几乎已经可以解释所有当时已经知道的光学现象（干涉、衍射、偏振、双折射等）。但是，却仍然存在一些例外，用麦克斯韦电磁理论无法解释，其中最著名的是包括光的黑体辐射和光电效应。光的本性—光的电磁理论面对的问题黑体辐射问题：炽热的黑体会向外辐射电磁能量，电磁能量按波长是如何分布的呢？按照经典电磁理论，辐射能量随着频率的增大而趋于无穷。这与实验观测结果不符！光电效应：实验上观察到，光照在金属表面上可使电子逸出，而逸出电子的能量与光的强度无关，但与光的频率有关。对此，经典理论也无法解释！光的本性—光的电磁理论面对的问题1900年，为了解释光的黑体辐射，普朗克创立了物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位（能量量子）的整数倍的假说，即量子假说，并在此基础上导出了黑体辐射的能量按波长（或频率）分布的公式，称为普朗克公式。普朗克（1858～1947）光的本性—光的量子假说1905年，为了解释光电效应，爱因斯坦提出了光子假设，当光束与物质相互作用时，其能流并不像波动理论所想象的那样，是连续分布的，而是一份一份的集中在一些叫做光子的粒子上。光子只能被整个地吸收和发射。基于这个光子假说，爱因斯坦成功地解释了光电效应。爱因斯坦（1879～1955）光的本性—光子假设的提出爱因斯坦因光电效应研究而获得1921年的诺贝尔物理学奖，他的研究推动了量子力学的发展。二十世纪初，光的波粒二象性不承认这样一个事实——“光的波粒二象性”：一方面，在与光的传播特性有关的一系列现象中（干涉、衍射、偏振等），光表现出波动的本性并可由麦克斯韦电磁理论完美地描述。另一方面，在光与物质作用并产生能量和动量交换的过程中，光又充分表现出分立的量子化（粒子）特征，并可由爱因斯坦光子理论加以描述。光的本性—波粒二象性自20世纪50年代以来，人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所谓“博里叶光学”。到60年代，激光器的问世，由此发展了光放大、混频和倍频的技术，电子学的基本技术被扩展到光波波段来，形成光电子学。80年代以来，光纤通信与光纤传感技术得到了快速发展。光的本性—波粒二象性赵凯华/钟锡华，《光学》（上下册），北京大学出版社关洪，《物理学史选讲》，高等教育出版社斯蒂芬·F·梅森，《自然科学史》，上海人民出版社参考文献