搜索
从辩证唯物主义观点谈光的波粒二象性高中物理课本中“光的波粒二象性”一节中作为对“光的本性”一章的概括性总结，寥寥五百多字将光的本性勾勒得淋漓尽致，不得不让人叹服做作者的物理造诣与文字功力。但要说服学生接受光既是一种波又是一种粒子无异于在说同一个人既是男人又是女人一样让人难以接受，笔者在从事物理教学过程中曾尝试在概括光的干涉、衍射及光电效应等主要内容的同时，用马克思辨证唯物主义的观点作进一步阐释，收效甚佳。下面将自己对于光的“波粒二象性”的辨证唯物主义分析的拙见罗列如下，供同行赐教。一、微粒说和波动说的长期斗争以牛顿为代表的微粒说认为光是微粒流，从光源发生，在均匀介质中遵守力学规律作匀速运动，对于光的反射则用弹性球的反跳来解释，对光的折射则用介质的吸引来阐释，另外牛顿还对光的色散、衍射等现象也作出解释，尽管有些十分牵强，尤其是对光的衍射、色散、干涉的解释。惠更斯是波动说的代表。他从波阵面的观点出发，认为将光振动看作在一种特殊介质——“以太”中传播的弹性脉动，而“以太”这种介质则充满了宇宙的全部空间，这便是著名的“惠更斯原理”。在惠更斯原理中，他未提出波长的概念，因而对光的直线传播的解释十分勉强，而且无法解释偏振现象，对光的色散现象更是束手无策。牛顿对经典力学的建立作出了空前绝后的贡献，这就很容易使人们用经典力学中机械论的观点去理解光的本性，而惠更斯的波动学说尽管对光的干涉、衍射的解释还比较完美，但其理论构架本身还很粗糙，在许多方面还不够完善，但由于牛顿在物理学界的泰斗地位因而在19世纪长达100多年的时间里，微粒说一直占有主导地位。值得一提的是，牛顿并未从根本上否定微粒学说，他曾多次提到光可能是一种震动并与声音相类比，他说当光投射到一个物体上时，可能会引起物体中以太粒子的震动，就好象投入水中的石块在水面激起波纹一样，并设想可能正是由于这种波引起干涉现象。但总的来看，他仍对波动说持否定态度。二、光的波粒二象性所包含的辩证唯物主义思想：1、光的波动说与粒子说都是唯物主义的世界观：无论是波动说还是粒子说，他们对光现象的认识都是建立在物质第一性的原则基础上的，牛顿也罢，惠更斯也罢，在对光的本性的认识上都未提出凌驾于客观存在以外的任何事物，都承认光的客观存在性，因而都是百分之百的唯物主义。在这一点上两者终于走到一起，可谓殊途同归。2、“光的波粒二象性”建立的过程实际上是“辩证法”和“形而上学”在方法论领域的斗争结果：光的干涉、衍射等现象以无可辩驳的事实证明了光的波动理论的正确性，而光电效应的发现则为光的粒子说奠定了坚实的基础，但令人遗憾的是，波动说和粒子说都试图用自己的一套理论体系独立地解释光的一切行为，而人为地割裂了两种理论的联系，最终都堕入形而上学的深渊，而光的波粒二象性将两者有机地结合起来。（1）、爱因斯坦在普朗克量子化理论的基础上为了能更好地解释光电效应提出著名的光子说，他认为光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子，光子的能量与其频率成正比，即E=hυ，h叫普朗克常数，υ则是光子的频率。从爱因斯坦理论不难看出，频率本身是经典物理中波所特有的概念。因此，光的粒子说实际上热情的接纳了波动学说，最起码承认“粒子说”这个“男人”身上还有少许的“女人味”。（2）、在光的波粒二象性的启发下，法国物理学家德布罗意对于微观粒子提出了著名的德布罗意公式。即λ=h/mv，其中λ为运动粒子的波长，mv为运动粒子的动量，在此基础上，后人又发现了许多微观粒子具有衍射现象，并提出“物质波”的概念。仔细观察德布罗意公式会发现，是波的特性，而mv则是粒子的特性。换句话说，光的波粒二象性其实是波动说与粒子说的辨证统一。它从联系、发展的观点，而不是孤立、静止的观点去认识光的本性，因而是马克思辩证唯物主义的世界观和方法论，而绝对不是形而上学。3、光的波粒二象性包含着量变与质变的辨证关系：马克思辩证唯物主义认为，质和量在一定条件下可相互转化。第一，量变是质变的必要准备，质变是以量变为前提和基础的，没有量变就没有质变；第二，质变是量变的必然结果，只有量变达到一定程度才可能引起质变，这一变化具有规律性、必然性。具体到光的波粒二象性，便体现在波与粒子图象的统一。物理学家们曾做过这样的实验，在扬氏双缝干涉实验中，在屏处放上照相底片，并设法减弱光流强度，使光子只能一个个地通过狭缝，实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出现一些无规则分布的点子，那些点子显然是光子打在底片上形成的，表现出光的粒子性；如果曝光时间足够长，底片上便出现了规则的干涉条纹。由此可见，干涉实验中包含着深刻的从量变到质变的辨证关系。在实验的第一个步骤中之所以在底片上出现的是一些无规则的点子，是因为量变未积累到足以发生质变，而一旦条件成熟，量变积累到一定程度，必然引起质变，使本来无规则的点子变成了规则的干涉条纹，发生了质的飞跃。4、光的波粒二象性是对立统一规律的必然产物：马克思辩证唯物主义认为，任何事物都存在矛盾，矛盾的同一性和斗争性是世界上一切事物、现象和过程内部都包含的相互关联、相互排斥的两个方面，正是这两个方面推动了事物的发展。光的波动性和粒子性便属于一对矛盾，波动说和粒子说在长期的斗争中相互包含，相互吸取有利于自身的因素（这种行为可能是无意识的，双方都不承认），共同发展，正是由于波动说和粒子说相互斗争、相互同化，才最终诞生了物理学王冠上一颗璀璨的明珠——光的波粒二象性。最典型的事例便是爱因斯坦光子能量公式和德布罗意公式，这两个公式将波动说与粒子说完美地统一起来，成为物理学大厦的一块基石。5、光的波粒二象性是否定之否定规律结出的硕果：纵观物理学发展史，以牛顿为代表的一批杰出的物理学家所提出的粒子说得到了光的直线传播等实验事实的有力支持，但在对光的干涉、衍射等问题上遇到了难以克服的困难，于是波动说应运而生，实现了对粒子说的第一次否定。随着新实验事实的发现，如光的色散、光的偏振现象又为波动说设置了难以逾越的障碍，双方又进入到第二次否定，即对波动说的否定，即所谓的否定之否定，既保留了各自的积极因素，又克服了各自的片面性，实现了肯定方面与否定方面的辨证统一。经过艰苦的肯定、否定、否定之否定循环往复，才最终上升到“光的波粒二象性”的理性认识上来，最后，双方不得不痛苦地接受“光既是一种粒子，又是一种波”这个近乎荒诞不经的事实。综上所述，光的波粒二象性对光的本性的认识包含着深刻的辩证唯物主义思想。唯物主义观点、辩证法与形而上学的斗争、量变与质变的辨证关系、对立统一规律、否定之否定规律贯穿物理光学的始终，无不闪耀着智慧的光芒。驻笔于此，不得不使我对我们的物理学前辈们肃然起敬。4【答案要点】(1)波粒二象性的科学探索过程。17世纪末，牛顿提出了光的微粒说，认为光是由微粒状的物质组成的。不久惠根斯提出了光的波动说，认为光是一种波动。由于当时牛顿在科学界享有极高的威望，微粒说占了上风。19世纪初，波动说又重新提出，并用实验有力否定了牛顿的微粒说。19世纪末，光电效应等一系列的实验向波动说提出了新的挑战。爱因斯坦最终冲破禁区，创立了光的量子学说，认为光既是波，又是微粒，是连续的，又是不连续的。(2)以上科学探索过程，对我们发现和发展真理的主要启示有以下几点。第一，波粒二象性探索过程中的每一个科学认识都体现了真理绝对性与真理相对性的辩证统一，是一个从相对真理不断接近于绝对真理的过程。第二，实践是认识的来源和检验真理的标准，人们对波粒二象性的认识，来源于科学实践，也只能通过科学实践来检验，在科学实验中得到发展。第三，实践标准既有确定性又有不确定性，波粒二象性探索过程中的每一种科学认识，都是当时条件下人们的实践所形成的真理性认识，随着实践条件的发展变化，随着新的实验水平的发展而发展，实践检验的标准也是不断发展的。第四，在发展中的实践中，人们对真理的认识是无止境的，永远不会停留在一个水平上，波粒二象性的发现，也没有结束真理。第五，人们要发现和发展真理，必然充分发挥主观能动性，解放思想，运用创新思维，发扬创新精神，不要被已有的理论和实践所束缚，敢于对现有理论提出质疑、善于思考、敢于实践、大胆探索，创新出新的理论与新的事物。1、本案例是对人类认识光的本质的科学发展史的回顾，反映了认识真理道路的曲折性问题以及真理与谬误的对立统一问题。真理是人们对于客观事物及其规律的正确认识。人类的认识活动从总体上讲是为了获得真理，并用真理知道实践，以取得实践的成功。真理具有客观性。真理作为一种主观的思想形式，是把不以人的意志为转移的外部客观世界作为认识对象的。在这段科学发展史中，人们对于光的本质的认识是主观的思想，而光的本质是客观的，是不以人的意志为转移的。检验真理的标准也是客观的。实践是检验真理的唯一标准，人们通过实践中积累的经验，又牛顿总结，提出了“粒子说”；正是一个个实验证明了光的波动性，打击了“粒子说”；而又是光电效应的发现是“波动说”转入下风，最后爱因斯坦的“波粒二象性”得到了多数人的认可。这又体现了真理的相对性，即真理的有条件性，有限性。任何真理都会受到人类实践水平和范围以及认识能力的限制，它只能是对无限的无纸世界发展的某一阶段、某一方面、某层次的认识，因而是有限的。“粒子说”“波动说”轮流占上风，最终统一于波粒二象性，体现了真理与谬误的对立统一。2、光既具有粒子性，又具有波动性，即现在被绝大多数人承认的波粒二象性。具体来说就是某物质同时具备波的特质及粒子的特质。二者在经典力学中是对立的，但“粒子说”无法解释光的干涉和衍射现象，光电效应又无法被“波动说”阐释。1905年爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。即光的粒子性和波动性又是统一的。因此二者的关系是对立统一的。对光的本质的认识经历了“粒子说”和“波动说”轮流占上风，最终统一于“波粒二象性”的曲折过程。现实在实践中的经验告诉人们光是粒子组成的，后来光的衍射和干涉实验打击了这一理论，并提出了崭新的光的波动性学说，而后随着实践的发展，二者互相矛盾却不能解释全部的光学现象，爱因斯坦的光量子学说，统一了二者，在现阶段被多数人认可。1.引言光与人类的生活有着密切的联系，人们借助光来观察世界和从事劳动。早在两千多年前，中外古人就对光的直线传播、反射和折射现象进行了研究。关于光的本性问题，笛卡儿在《方法论》之《折光学》中提出了两种假说：一种假说认为，光是类似于微粒的一种物质；另一种假说认为，光是一种以“以太”为媒质的压力[1]。他的这两种假说为后来以牛顿为代表的“微粒说”和以惠更斯为代表的“波动说”的两大对抗阵营的形成埋下了伏笔，这两种表面看似矛盾的学说也成为当前所公论的光具有“波粒二象性”的理论基础。光的波粒二象性理论成功建立，辩证法的三大规律始终伴随着整个过程。自然辩证法的基本精髓也要求物理学家从事实材料出发，弄清事物的现象与本质，不断探索研究，根据已知，探索未知，从中创造出新知，最终得出正确的科学理论。2.光的波动说与微粒说的两次交锋2.1光的波动说与微粒说第一次交锋波动说与微粒说的第一次交锋由“光的颜色”这根导火索引燃，从此英国物理学家胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。胡克通过对肥皂泡膜颜色的观察提出了“光是以太的一种纵向波”的科学假说，并据此认为光的颜色是由其频率决定的。但是，牛顿却否同胡克的看法。1672年，牛顿的光色散实验：让阳光通过小孔照在暗室里的棱镜上，在对面的墙壁上会得到彩色光谱。他阐述了光的颜色理论，认为光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。之后，以胡克为主的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文《关于光和色的新理论》基本上持以否定的态度。1675年牛顿在《说明在我的几篇论文中所谈到的光的性质的一个假说》一文中，再次反驳了胡克的波动说，重申了他的微粒说。但这时的牛顿和胡克都没有形成完整、系统的理论，因此波动说和微粒说之间的交锋没有以某一方的胜利而告终，只是暂时休战。但科学争论继续存在，物理学家就会孜孜不倦寻个水落石出，这也是辩证法的精神所在，科学理论最终会在不断的探索中成熟[2]。2