● 光學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史
狹義來(lái)說(shuō)，光學(xué)是關(guān)于光和視見(jiàn)的科學(xué)，optics(光學(xué))這個(gè)詞，早期只用于跟眼睛和視見(jiàn)相聯(lián)系的事物。而今天，常說(shuō)的光學(xué)是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線直到 X射線的寬廣波段范圍內(nèi)的，關(guān)于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯示，以及跟物質(zhì)相互作用的科學(xué)。
光學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要組成部分，也是與其他應(yīng)用技術(shù)緊密相關(guān)的學(xué)科。
光學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史
光學(xué)是一門(mén)有悠久歷史的學(xué)科，它的發(fā)展史可追溯到2000多年前。
人類對(duì)光的研究，最初主要是試圖回答“人怎么能看見(jiàn)周圍的物體？”之類問(wèn)題。約在公元前400多年(先秦的代)，中國(guó)的《墨經(jīng)》中記錄了世界上最早的光學(xué)知識(shí)。它有八條關(guān)于光學(xué)的記載，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系。
自《墨經(jīng))開(kāi)始，公元11世紀(jì)阿拉伯人伊本·海賽木發(fā)明透鏡；公元1590年到17世紀(jì)初，詹森和李普希同時(shí)獨(dú)立地發(fā)明顯微鏡；一直到17世紀(jì)上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀察結(jié)果，歸結(jié)為今天大家所慣用的反射定律和折射定律。
1665年，牛頓進(jìn)行太陽(yáng)光的實(shí)驗(yàn)，它把太陽(yáng)光分解成簡(jiǎn)單的組成部分，這些成分形成一個(gè)顏色按一定順序排列的光分布——光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特征，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。
牛頓還發(fā)現(xiàn)了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學(xué)平玻璃板上，當(dāng)用白光照射時(shí)，則見(jiàn)透鏡與玻璃平板接觸處出現(xiàn)一組彩色的同心環(huán)狀條紋；當(dāng)用某一單色光照射時(shí)，則出現(xiàn)一組明暗相間的同心環(huán)條紋，后人把這種現(xiàn)象稱牛頓環(huán)。借助這種現(xiàn)象可以用第一暗環(huán)的空氣隙的厚度來(lái)定量地表征相應(yīng)的單色光。
牛頓在發(fā)現(xiàn)這些重要現(xiàn)象的同時(shí)，根據(jù)光的直線傳播性，認(rèn)為光是一種微粒流。微粒從光源飛出來(lái)，在均勻媒質(zhì)內(nèi)遵從力學(xué)定律作等速直線運(yùn)動(dòng)。牛頓用這種觀點(diǎn)對(duì)折射和反射現(xiàn)象作了解釋。
惠更斯是光的微粒說(shuō)的反對(duì)者，他創(chuàng)立了光的波動(dòng)說(shuō)。提出“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ摹�。并且指出光振�?dòng)所達(dá)到的每一點(diǎn)，都可視為次波的振動(dòng)中心、次波的包絡(luò)面為傳播波的波陣面(波前)。在整個(gè)18世紀(jì)中，光的微粒流理論和光的波動(dòng)理論都被粗略地提了出來(lái)，但都不很完整。
19世紀(jì)初，波動(dòng)光學(xué)初步形成，其中托馬斯·楊圓滿地解釋了“薄膜顏色”和雙狹縫干涉現(xiàn)象。菲涅耳于1818年以楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，也能解釋光的直線傳播。
在進(jìn)一步的研究中，觀察到了光的偏振和偏振光的干涉。為了解釋這些現(xiàn)象，菲涅耳假定光是一種在連續(xù)媒質(zhì)(以太)中傳播的橫波。為說(shuō)明光在各不同媒質(zhì)中的不同速度，又必須假定以太的特性在不同的物質(zhì)中是不同的；在各向異性媒質(zhì)中還需要有更復(fù)雜的假設(shè)。此外，還必須給以太以更特殊的性質(zhì)才能解釋光不是縱波。如此性質(zhì)的以太是難以想象的。
1846年，法拉第發(fā)現(xiàn)了光的振動(dòng)面在磁場(chǎng)中發(fā)生旋轉(zhuǎn)；1856年，韋伯發(fā)現(xiàn)光在真空中的速度等于電流強(qiáng)度的電磁單位與靜電單位的比值。他們的發(fā)現(xiàn)表明光學(xué)現(xiàn)象與磁學(xué)、電學(xué)現(xiàn)象間有一定的內(nèi)在關(guān)系。
1860年前后，麥克斯韋的指出，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的改變，不能局限于空間的某一部分，而是以等于電流的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播著，光就是這樣一種電磁現(xiàn)象。這個(gè)結(jié)論在1888年為赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
然而，這樣的理論還不能說(shuō)明能產(chǎn)生象光這樣高的頻率的電振子的性質(zhì)，也不能解釋光的色散現(xiàn)象。到了1896年洛倫茲創(chuàng)立電子論，才解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸收光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點(diǎn)，包括對(duì)色散現(xiàn)象的解釋。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無(wú)限的不動(dòng)的媒質(zhì)，其唯一特點(diǎn)是，在這種媒質(zhì)中光振動(dòng)具有一定的傳播速度。
對(duì)于像熾熱的黑體的輻射中能量按波長(zhǎng)分布這樣重要的問(wèn)題，洛倫茲理論還不能給出令人滿意的解釋。并且，如果認(rèn)為洛倫茲關(guān)于以太的概念是正確的話，則可將不動(dòng)的以太選作參照系，使人們能區(qū)別出絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。而事實(shí)上，1887年邁克耳遜用干涉儀測(cè)“以太風(fēng)”，得到否定的結(jié)果，這表明到了洛倫茲電子論時(shí)期，人們對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)仍然有不少片面性。
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。他認(rèn)為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。
量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長(zhǎng)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(gè)問(wèn)題。量子論不但給光學(xué)，也給整個(gè)物理學(xué)提供了新的概念，所以通常把它的誕生視為近代物理學(xué)的起點(diǎn)。
1905年，愛(ài)因斯坦運(yùn)用量子論解釋了光電效應(yīng)。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光也是以光子為最小單位進(jìn)行的。
1905年9月，德國(guó)《物理學(xué)年鑒》發(fā)表了愛(ài)因斯坦的“關(guān)于運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)”一文。第一次提出了狹義相對(duì)論基本原理，文中指出，從伽利略和牛頓時(shí)代以來(lái)占統(tǒng)治地位的古典物理學(xué)，其應(yīng)用范圍只限于速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速的情況，而他的新理論可解釋與很大運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的過(guò)程的特征，根本放棄了以太的概念，圓滿地解釋了運(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)現(xiàn)象。
這樣，在20世紀(jì)初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)現(xiàn)象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應(yīng)、光壓以及光的化學(xué)作用等無(wú)可懷疑地證明了光的量子性——微粒性。
1922年發(fā)現(xiàn)的康普頓效應(yīng)，1928年發(fā)現(xiàn)的喇曼效應(yīng)，以及當(dāng)時(shí)已能從實(shí)驗(yàn)上獲得的原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，它們都表明光學(xué)的發(fā)展是與量子物理緊密相關(guān)的。光學(xué)的發(fā)展歷史表明，現(xiàn)代物理學(xué)中的兩個(gè)最重要的基礎(chǔ)理論——量子力學(xué)和狹義相對(duì)論都是在關(guān)于光的研究中誕生和發(fā)展的。
此后，光學(xué)開(kāi)始進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期，以致于成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿的重要組成部分。其中最重要的成就，就是發(fā)現(xiàn)了愛(ài)因斯坦于1916年預(yù)言過(guò)的原子和分子的受激輻射，并且創(chuàng)造了許多具體的產(chǎn)生受激輻射的技術(shù)。
愛(ài)因斯坦研究輻射時(shí)指出，在一定條件下，如果能使受激輻射繼續(xù)去激發(fā)其他粒子，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似地獲得放大效果，最后就可得到單色性極強(qiáng)的輻射，即激光。1960年，梅曼用紅寶石制成第一臺(tái)可見(jiàn)光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年產(chǎn)生了半導(dǎo)體激光器；1963年產(chǎn)生了可調(diào)諧染料激光器。由于激光具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，得到了迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，引起了科學(xué)技術(shù)的重大變化。
光學(xué)的另一個(gè)重要的分支是由成像光學(xué)、全息術(shù)和光學(xué)信息處理組成的。這一分支最早可追溯到1873年阿貝提出的顯微鏡成像理論，和1906年波特為之完成的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；1935年澤爾尼克提出位相反襯觀察法，并依此由蔡司工廠制成相襯顯微鏡，為此他獲得了1953年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1948年伽柏提出的現(xiàn)代全息照相術(shù)的前身——波陣面再現(xiàn)原理，為此，伽柏獲得了1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
自20世紀(jì)50年代以來(lái)，人們開(kāi)始把數(shù)學(xué)、電子技術(shù)和通信理論與光學(xué)結(jié)合起來(lái)，給光學(xué)引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關(guān)運(yùn)算等概念，更新了經(jīng)典成像光學(xué)，形成了所謂“博里葉光學(xué)”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特內(nèi)克斯改進(jìn)了的全息術(shù)，形成了一個(gè)新的學(xué)科領(lǐng)域——光學(xué)信息處理。光纖通信就是依據(jù)這方面理論的重要成就，它為信息傳輸和處理提供了嶄新的技術(shù)。
在現(xiàn)代光學(xué)本身，由強(qiáng)激光產(chǎn)生的非線性光學(xué)現(xiàn)象正為越來(lái)越多的人們所注意。激光光譜學(xué)，包括激光喇曼光譜學(xué)、高分辨率光譜和皮秒超短脈沖，以及可調(diào)諧激光技術(shù)的出現(xiàn)，已使傳統(tǒng)的光譜學(xué)發(fā)生了很大的變化，成為深入研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的重要手段。它為凝聚態(tài)物理學(xué)、分子生物學(xué)和化學(xué)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究提供了前所未有的技術(shù)。
光學(xué)的研究?jī)?nèi)容
我們通常把光學(xué)分成幾何光學(xué)、物理光學(xué)和量子光學(xué)。
幾何光學(xué)是從幾個(gè)由實(shí)驗(yàn)得來(lái)的基本原理出發(fā)，來(lái)研究光的傳播問(wèn)題的學(xué)科。它利用光線的概念、折射、反射定律來(lái)描述光在各種媒質(zhì)中傳播的途徑，它得出的結(jié)果通�？偸遣▌�(dòng)光學(xué)在某些條件下的近似或極限。
物理光學(xué)是從光的波動(dòng)性出發(fā)來(lái)研究光在傳播過(guò)程中所發(fā)生的現(xiàn)象的學(xué)科，所以也稱為波動(dòng)光學(xué)。它可以比較方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向異性的媒質(zhì)中傳插時(shí)所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。
波動(dòng)光學(xué)的基礎(chǔ)就是經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的麥克斯韋方程組。波動(dòng)光學(xué)不詳論介電常數(shù)和磁導(dǎo)率與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，而側(cè)重于解釋光波的表現(xiàn)規(guī)律。波動(dòng)光學(xué)可以解釋光在散射媒質(zhì)和各向異性媒質(zhì)中傳播時(shí)現(xiàn)象，以及光在媒質(zhì)界面附近的表現(xiàn)；也能解釋色散現(xiàn)象和各種媒質(zhì)中壓力、溫度、聲場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)光的現(xiàn)象的影響。
量子光學(xué) 1900年普朗克在研究黑體輻射時(shí)，為了從理論上推導(dǎo)出得到的與實(shí)際相符甚好的經(jīng)驗(yàn)公式，他大膽地提出了與經(jīng)典概念迥然不同的假設(shè)，即“組成黑體的振子的能量不能連續(xù)變化，只能取一份份的分立值”。
1905年，愛(ài)因斯坦在研究光電效應(yīng)時(shí)推廣了普朗克的上述量子論，進(jìn)而提出了光子的概念。他認(rèn)為光能并不像電磁波理論所描述的那樣分布在波陣面上，而是集中在所謂光子的微粒上。在光電效應(yīng)中，當(dāng)光子照射到金屬表面時(shí)，一次為金屬中的電子全部吸收，而無(wú)需電磁理論所預(yù)計(jì)的那種累積能量的時(shí)間，電子把這能量的一部分用于克服金屬表面對(duì)它的吸力即作逸出功，余下的就變成電子離開(kāi)金屬表面后的動(dòng)能。
這種從光子的性質(zhì)出發(fā)，來(lái)研究光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科即為量子光學(xué)。它的基礎(chǔ)主要是量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)。
光的這種既表現(xiàn)出波動(dòng)性又具有粒子性的現(xiàn)象既為光的波粒二象性。后來(lái)的研究從理論和實(shí)驗(yàn)上無(wú)可爭(zhēng)辯地證明了：非但光有這種兩重性，世界的所有物質(zhì)，包括電子、質(zhì)子、中子和原子以及所有的宏觀事物，也都有與其本身質(zhì)量和速度相聯(lián)系的波動(dòng)的特性。
應(yīng)用光學(xué) 光學(xué)是由許多與物理學(xué)緊密聯(lián)系的分支學(xué)科組成；由于它有廣泛的應(yīng)用，所以還有一系列應(yīng)用背景較強(qiáng)的分支學(xué)科也屬于光學(xué)范圍。例如，有關(guān)電磁輻射的物理量的測(cè)量的光度學(xué)、輻射度學(xué)；以正常平均人眼為接收器，來(lái)研究電磁輻射所引起的彩色視覺(jué)，及其心理物理量的測(cè)量的色度學(xué)；以及眾多的技術(shù)光學(xué)：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及光學(xué)儀器理論，光學(xué)制造和光學(xué)測(cè)試，干涉量度學(xué)、薄膜光學(xué)、纖維光學(xué)和集成光學(xué)等；還有與其他學(xué)科交叉的分支，如天文光學(xué)、海洋光學(xué)、遙感光學(xué)、大氣光學(xué)、生理光學(xué)及兵器光學(xué)等。
牛頓對(duì)光學(xué)的研究
英國(guó)物理學(xué)家牛頓（I.Newton,1642-1727）
1、色散現(xiàn)象的早期研究
色散也是一個(gè)古老的課題，最引人注目的是彩虹現(xiàn)象。早在13世紀(jì)，科學(xué)家就對(duì)彩虹的成因進(jìn)行了探討。
德國(guó)有一位傳教士叫西奧多里克（Theodoric），曾在實(shí)驗(yàn)中模仿天上的彩虹。他利用陽(yáng)光照射裝滿水的大玻璃球殼，觀察到了和空中一樣的彩虹，以此說(shuō)明彩虹是由于空氣中水珠反射和折射陽(yáng)光造成的現(xiàn)象。不過(guò)，他進(jìn)一步解釋沒(méi)有擺脫亞里斯多德的教義，繼續(xù)認(rèn)為各種顏色的產(chǎn)生是由于光受到不同阻滯所引起。光的四種顏色：紅、黃、綠、藍(lán)，處于白與黑之間，紅色接近白色，比較明亮，藍(lán)色接近黑色，比較昏暗。陽(yáng)光進(jìn)入媒質(zhì)（例如水），從表面區(qū)域折射回來(lái)的是紅色或黃色，從深部折射回來(lái)的是綠色或藍(lán)色。雨后天空中充滿水珠，陽(yáng)光進(jìn)入水珠再折射回來(lái)，人們就看到色彩繽紛的景象。
笛卡兒對(duì)彩虹現(xiàn)象也有興趣，他用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)西奧多里克的認(rèn)述。
在他的《方法論》（1637）中還有一篇附錄，專門(mén)討論彩虹，并且介紹了他自己做過(guò)的棱鏡實(shí)驗(yàn)，如圖所示。他用三棱鏡將陽(yáng)光折射后投在屏上，發(fā)現(xiàn)彩色的產(chǎn)生并不是由于進(jìn)入媒質(zhì)深淺不同所造成。因?yàn)椴徽摴庹赵诶忡R的那一部位，折射后屏上的圖象都是一樣的。遺憾的是，笛卡兒的屏離棱鏡太近（大概只有幾厘米），他沒(méi)有看到色散后的整個(gè)光譜，只注意到光帶的兩側(cè)分別呈現(xiàn)藍(lán)色和紅色。
1648年，布拉格的馬爾西用三棱鏡演示色散成功。不過(guò)他解釋錯(cuò)了。他認(rèn)為紅色是濃縮了的光，藍(lán)色是稀釋了的光；之所以會(huì)出現(xiàn)五顏六色，是由于光受物質(zhì)的不同作用，因而呈現(xiàn)各種不同的顏色。
17世紀(jì)正當(dāng)望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡問(wèn)世，伽利略運(yùn)用望遠(yuǎn)鏡觀察天體星辰，胡克用顯微鏡觀察小物體，激起了廣大科學(xué)界的興趣。然而，當(dāng)放大倍數(shù)增大時(shí)，這些儀器不可避免地都會(huì)出現(xiàn)象差和色差，使人們深感迷惑。
人們不理解，為什么在圖象的邊緣總會(huì)出現(xiàn)顏色？這和彩虹有沒(méi)有共同之處？這類現(xiàn)象有什么規(guī)律性？怎樣才能消除？
這時(shí)，牛頓正在英國(guó)劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)。他的老師中有一位數(shù)學(xué)教授名叫巴羅（Isaac Barrow,1630-1677），對(duì)光學(xué)很有研究。牛頓聽(tīng)過(guò)他講光學(xué)，還邦他寫(xiě)《光學(xué)講義》。牛頓很喜歡做光學(xué)實(shí)驗(yàn)，還親自動(dòng)手磨制透鏡，想按自己的設(shè)計(jì)裝配出差的顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡。這個(gè)愿望激勵(lì)他對(duì)光的顏色的本性進(jìn)行深入的探討。
2、牛頓對(duì)色散現(xiàn)象的思考
牛頓從笛卡兒等人的著作中得到許多啟示。例如笛卡兒說(shuō)過(guò)：“運(yùn)動(dòng)慢的光線比運(yùn)動(dòng)快的光線折射得更厲害，”胡克描述過(guò)肥皂泡的顏色變化，認(rèn)為不同的顏色是光脈沖對(duì)視網(wǎng)膜留下的不同印象。紅色和藍(lán)色是原色，其它顏色都是由這兩種顏色合成和沖淡而成。牛頓注意到這些說(shuō)法的合理成分，同時(shí)也提出許多疑問(wèn)。
在牛頓留下的手稿中，記錄了許多當(dāng)年的疑問(wèn)微壓測(cè)高計(jì)思考，
例如，他問(wèn)道： 如果光是脈沖，為什么不像聲音那樣在傳播中偏離直線？
為什么弱的脈沖比強(qiáng)的脈沖運(yùn)動(dòng)快？
為什么水比水蒸汽更清晰？
為什么煤是黑的，煤燒成的灰反而是白的？
牛頓不滿意前人（包括他的老師）對(duì)光現(xiàn)象的解釋，就自己動(dòng)手做起了一系列的實(shí)驗(yàn)。
3、牛頓的色散實(shí)驗(yàn)
牛頓從笛卡兒的棱鏡實(shí)驗(yàn)得到啟發(fā)，又借鑒于胡克和玻意耳的分光實(shí)驗(yàn)。胡克用了一只充滿水的燒瓶代替棱鏡，屏距折射位置大約60厘米，玻意耳把棱鏡散射的光投到1米多高的天花板上，而牛頓則將距離擴(kuò)展為6-7米，從室外由洞口進(jìn)入的陽(yáng)光經(jīng)過(guò)三棱鏡后直接投射到對(duì)面的墻上。這樣，他就獲得了展開(kāi)的光譜，而前面的幾位實(shí)驗(yàn)者只看到兩側(cè)帶顏色的光斑。
牛頓高明之處就在下他已經(jīng)意識(shí)到了不同顏色的光具有不同的折射性能，只有拉長(zhǎng)距離才能分解開(kāi)不同折射角的光線。
為了證明紅光和藍(lán)光各具不同的折射性能，牛頓用棱鏡做了如下的實(shí)驗(yàn)。 如圖所示，在一張黑線上畫(huà)一條線，半邊為深藍(lán)色，半邊為深紅色，比棱鏡觀看，只見(jiàn)這根線好象折斷了似的，分界處正是紅藍(lán)之交，藍(lán)色部分比紅色部分更靠近棱脊。可見(jiàn)藍(lán)光比紅光受到更大的折射。
為了證明色散現(xiàn)象不是由于棱鏡跟陽(yáng)光的相互作用，也不是由于其它原因，而是由于不同顏色具有不同的折射性，牛頓又做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。 他拿三個(gè)棱鏡做實(shí)驗(yàn)，三個(gè)棱鏡完全相同，只是放置方式不一樣，如圖所示，倘若分散是由于棱鏡的不平或其它偶然的不規(guī)則性，那么第二個(gè)棱鏡和第三個(gè)棱鏡就會(huì)增加這一分散性�？墒菍�(shí)驗(yàn)結(jié)果是，原來(lái)分散的各種顏色，經(jīng)過(guò)第二個(gè)棱鏡后又還原成白光，形狀和原來(lái)的一樣。再經(jīng)過(guò)第三個(gè)棱鏡，又分解成各種顏色。由此證明，棱鏡的作用是使白光分解為不同成分，又可使不同光分合成為白光。牛頓的這一科學(xué)論斷和當(dāng)時(shí)已流傳上千年的觀念是格格不入的。他預(yù)料會(huì)遭到科學(xué)界的反對(duì)，于是又做了一個(gè)很有說(shuō)服力的實(shí)驗(yàn)。牛頓把這個(gè)實(shí)驗(yàn)稱為“判決性實(shí)驗(yàn)”，如圖所示。 他拿兩塊木板，一塊放在窗口緊貼棱鏡處，光從平行進(jìn)入后經(jīng)棱鏡折射穿過(guò)小孔，各種顏色以不同的角度射向另一塊木板。離約4米遠(yuǎn)，板上也開(kāi)有不孔，在后面也放有一塊三棱鏡，使穿進(jìn)的光再折射后抵達(dá)墻壁。牛頓手持第一塊棱鏡，緩緩繞其軸旋轉(zhuǎn)，這樣使第二塊木板上的不同顏色的光相繼穿過(guò)到達(dá)三棱鏡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：被第一塊棱鏡折射得最厲害的紫光，經(jīng)第二塊棱鏡也偏折最多。由此可見(jiàn)，白光確是由折射性能不同的光組成。在色散實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，牛頓總結(jié)出了幾條規(guī)律，即：
1.光線隨其折射率不同，色也不同。色不是光的變態(tài)，而是光線原來(lái)的、固有的屬性。
2.同一色屬于同一折射率，不同的色，折射率不同。
3.色的種類和折射的程度是光線所固有的，不會(huì)因折射、反射或其它任何原因而改變。
4.必須區(qū)分兩種顏色，一種是原始的、單純的色，另一種是由原始的顏色復(fù)合而成的色。
5.本身是白色的光線是沒(méi)有的我，白色是由所有的光線按適當(dāng)比例混合而成的色。
6.由此可解釋棱鏡形成各種色綿現(xiàn)象及彩虹的形成。
7.自然物體的色是由于對(duì)某種光的反射大于其它光反射的緣故。
8.把光看成實(shí)體有充分的根據(jù)。
光的本性學(xué)說(shuō)的發(fā)展史
光學(xué)是物理學(xué)中發(fā)展較早的一門(mén)分支。早在17世紀(jì)，關(guān)于光的本性問(wèn)題，眾說(shuō)紛紜，此起彼伏，但是歸納起來(lái)，不外乎微粒說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)兩種。這兩種學(xué)說(shuō)在不同時(shí)期各自占據(jù)著統(tǒng)治地位。隨著人們認(rèn)識(shí)的發(fā)展，對(duì)粒子和波的概念的看法也有所發(fā)展，它促進(jìn)了物理學(xué)的理論的發(fā)展和完善。
1．微粒說(shuō)：牛頓主張的學(xué)說(shuō)
(1)內(nèi)容：光是沿直線高速傳播的粒子流。
(2)主要代表人物：著名物理學(xué)家牛頓。
(3)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：光的直線傳播。
(4)能解釋的現(xiàn)象：牛頓認(rèn)為光是一種細(xì)微的大小不同的而又迅速運(yùn)動(dòng)的粒子，這些粒子遵守力學(xué)定律，它們?cè)谡婵罩谢蚓鶆蚪橘|(zhì)中由于慣性而作勻速直線運(yùn)動(dòng)，因此，光的微粒說(shuō)能較好地簡(jiǎn)明直觀地解釋光的直線傳播和光的反射定律以及影的形成和光的色散現(xiàn)象。
(5)微粒說(shuō)的困難：
①解釋光的折射定律比較麻煩，根據(jù)牛頓的推算，光在介質(zhì)中速度要比光在真空中速度要大(后來(lái)知道這是錯(cuò)誤的，可是當(dāng)時(shí)無(wú)法判斷這個(gè)推算正確與否)。
②不能解釋光的獨(dú)立傳播定律：如幾束光相遇后會(huì)彼此毫無(wú)妨礙地繼續(xù)向前傳播。如果把光看成微粒，那么它將象飛行子彈那樣在傳播過(guò)程中相碰撞，因而要改變傳播方向，但這與事實(shí)是不符的。這表明光的獨(dú)立傳播與光的機(jī)械微粒流概念是不相容的，它成為微粒說(shuō)的致命弱點(diǎn)。
③在介質(zhì)表面同時(shí)存在的反射及折射現(xiàn)象微粒說(shuō)遇到困難：牛頓認(rèn)為光的反射是由于光微粒受到介質(zhì)的排斥所致，折射是微粒受到介質(zhì)的吸引所致，那么一束光射到介質(zhì)表面時(shí)，既有反射又有折射，為什么介質(zhì)對(duì)光微�！坝杏H有疏”呢？
④光的衍射現(xiàn)象更難用微粒說(shuō)解釋。
2．波動(dòng)說(shuō)：惠更斯提出的學(xué)說(shuō)
(1)17世紀(jì)的波動(dòng)說(shuō)(早期波動(dòng)說(shuō))
①內(nèi)容：光是某種振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，即光是某種波。
②主要代表人物：惠更斯。
③實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：光的獨(dú)立傳播規(guī)律。
④能解釋的現(xiàn)象：波的反射、折射現(xiàn)象比較常見(jiàn)，所以波動(dòng)說(shuō)解釋光的反射、折射是可以令人信服的；對(duì)光疊加后又可無(wú)妨礙地繼續(xù)向前傳播的解釋，也是比較完美的。
⑤波動(dòng)說(shuō)的困難：由于惠更斯時(shí)代對(duì)光的波長(zhǎng)是“很短、很短”這一點(diǎn)還不清楚，因此對(duì)光照射到不透明物體后會(huì)留下清晰的影子，還解釋不了(亦即解釋不了光的直線傳播規(guī)律)盡管當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)了光的衍射現(xiàn)象，卻沒(méi)有給波動(dòng)說(shuō)提供什么理論優(yōu)勢(shì)。
(2)微粒說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)的爭(zhēng)論
①爭(zhēng)論的焦點(diǎn)：對(duì)折射現(xiàn)象的分析，兩種學(xué)說(shuō)得到不同結(jié)論：微粒說(shuō)得出光在光密介質(zhì)中光速大于光疏介質(zhì)中光速；波動(dòng)說(shuō)得出光在光密介質(zhì)中光速小于光疏介質(zhì)中光速。但是，由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件限制，無(wú)法測(cè)量光速，所以無(wú)法判斷誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)，因此二者爭(zhēng)論達(dá)一個(gè)世紀(jì)多。
②微粒說(shuō)的稱雄：兩學(xué)說(shuō)幾乎是同一時(shí)代產(chǎn)生的，各有成功的一方面，但都不能完美地解釋當(dāng)時(shí)知道的各種光現(xiàn)象。但19世紀(jì)以前，微粒說(shuō)一直占統(tǒng)治地位，其原因有以下幾點(diǎn)：
a．在17、18世紀(jì)中經(jīng)典力學(xué)已成了完美的科學(xué)體系，在解釋自然現(xiàn)象時(shí)和應(yīng)用于實(shí)踐方面十分得力。人們自然容易接受機(jī)械運(yùn)動(dòng)模型光的微粒說(shuō)。
b．牛頓的威望比惠更斯高，權(quán)威們的思想觀點(diǎn)容易被人們所接受。
c．波動(dòng)說(shuō)還不完善，比較粗糙，對(duì)解釋光的直線傳播沒(méi)有足夠的說(shuō)服力。
(2)波動(dòng)說(shuō)的復(fù)興
①托馬斯·揚(yáng)的貢獻(xiàn)：1800年至1804年，托馬斯·揚(yáng)進(jìn)一步擴(kuò)充和發(fā)展了惠更斯的波動(dòng)說(shuō)，明確提出了光具有頻率和波長(zhǎng)，完善了光波概念。1801年他在實(shí)驗(yàn)室中做了獨(dú)創(chuàng)的雙孔干涉實(shí)驗(yàn)，成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象，并且總結(jié)出了干涉原理。
②菲涅耳的貢獻(xiàn)：1815年菲涅耳向法國(guó)科學(xué)院提交了對(duì)于光的衍射報(bào)告，他以光波干涉的思想補(bǔ)充了惠更斯原理，明確了惠更斯原理的物理意義(后來(lái)稱為惠更斯——菲涅耳原理)。成功地解釋了各種衍射現(xiàn)象。
【說(shuō)明】泊松亮斑：
菲涅耳理論公布以后，著名數(shù)學(xué)家泊松根據(jù)菲涅耳的理論推算出在圓板陰影的中心應(yīng)該出現(xiàn)一個(gè)亮斑。由于從來(lái)沒(méi)有人報(bào)道過(guò)這樣的事情，并且在影子中央出現(xiàn)亮斑，似乎是十分荒謬的，所以泊松興高采烈地宣布他駁倒了菲涅耳的波動(dòng)理論。但菲涅耳和阿拉果立即用實(shí)驗(yàn)精彩地證實(shí)了這一結(jié)論，后來(lái)人們把這種現(xiàn)象戲稱“泊松亮斑�！�
③波動(dòng)說(shuō)的稱雄：光的干涉和衍射現(xiàn)象無(wú)可置辯地說(shuō)明光具有波動(dòng)性。19世紀(jì)前期，光的波動(dòng)理論已圓滿地解釋了光的直線傳播和獨(dú)立傳播定律；光的反射與折射定律；對(duì)于光的干涉、衍射等現(xiàn)象也做了理論上的解釋與實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證。特別是在“泊松亮斑”的事實(shí)下，微粒說(shuō)迅速崩潰，波學(xué)得到了人們的公認(rèn)。至此，光的波動(dòng)說(shuō)發(fā)展進(jìn)行了全盛時(shí)期。
3．電磁說(shuō)：麥克斯韋建立的理論
(1)內(nèi)容：光是一種電磁波。
(2)代表人物：麥克斯韋。
(3)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：
①光和電磁波一樣都具有波的性質(zhì)，都能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射現(xiàn)象。
②光和電磁波在真空中的速度相等，均等于c=3.0×108m/s。光和電磁波都可以在真空中傳播。
③光和電磁波都是橫波。
④實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：赫茲在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了電磁波，并且證明了電磁波也跟光波一樣具有反射、折射、干涉、衍射等性質(zhì)。他還通過(guò)干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)出了一定頻率的電磁波的波長(zhǎng)，算出了電磁波的波速，結(jié)果跟麥克斯韋關(guān)于電磁波的波速等于光速的預(yù)言符合得相當(dāng)好。這就證明了麥克斯韋的光的電磁理論是正確的。至此，光的波動(dòng)理論上升為一個(gè)嶄新的階段——光的電磁波動(dòng)理論階段。
4．光子說(shuō)：愛(ài)因斯坦創(chuàng)立的學(xué)說(shuō)
(1)內(nèi)容：在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子，光子的能量跟它的頻率成正比。
光子能量E=hv，其中h為普朗克恒量，h=6.63×10-34J·s。
(2)代表人物：著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦。
(3)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：光電效應(yīng)。光的波動(dòng)理論在光電效應(yīng)面前遇到了無(wú)法逾越的障礙。愛(ài)因斯坦針對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象在普朗克量子假設(shè)的基礎(chǔ)上提出了光量子假設(shè)：電磁輻射不僅在發(fā)射和吸收時(shí)是以能量為hv形式出現(xiàn)，而且還以微粒的形式在空間以光速傳播。即電磁場(chǎng)實(shí)際上以量子形態(tài)存在，它不僅在吸收和發(fā)射時(shí)能量是分立的，就是在傳播中也具有同樣性質(zhì)；電磁場(chǎng)由光量子組成，每一份光量子的能量為hv，這里，他肯定光具有粒子性，但并不否定光的波動(dòng)性。牛頓的微粒說(shuō)是愛(ài)因斯坦光量子思想的起源。他用動(dòng)量和能量來(lái)描述光的粒子性，用波長(zhǎng)和頻率來(lái)描述光的波動(dòng)性。愛(ài)因斯坦光量子理論的重要意義，不僅在于對(duì)光電效應(yīng)作出了正確的解釋，更重要的是將光視為是波動(dòng)論和微粒論的一種融合體——光的波粒二象性，使人們對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)更前進(jìn)了一大步。
● 光 的 發(fā) 展 史
什么是光？
光是什么？
讓我們
撫去歲月的風(fēng)塵
打開(kāi)歷史的卷面
踏著前人的足跡
回顧一下光學(xué)說(shuō)的發(fā)展
* * * * * *
在很早很早以前，有一本名為《圣經(jīng)》的書(shū)里有這樣一句話：崐神說(shuō)，要有光，就有了光。這句斷言把光的全部問(wèn)題一筆勾消，崐因?yàn)檫@句話的意思是：光亮不過(guò)是黑暗的反面，是讓人能看見(jiàn)東崐西的環(huán)境�？墒枪畔ＥD人確認(rèn)為光具有客觀現(xiàn)實(shí)性，是一種象從水龍頭射出的水那樣從人們的眼睛射出的東西。我們之所以能看崐見(jiàn)物體就是靠從眼睛里射出的一束這樣的光擊中了這個(gè)物體。這個(gè)說(shuō)法從而解釋了為什么我們睜著眼能看見(jiàn)物體但閉著眼卻看不見(jiàn)了這一事實(shí)。不過(guò)，在黑暗的地方，為什么我們的眼睛睜的再大也看不見(jiàn)東西呢？
畢達(dá)哥拉斯對(duì)此提出了一種新的理論：光是由發(fā)光體向四面八方射出的一種東西，這種東西碰到障礙物上就立刻被彈開(kāi)。如果它偶然進(jìn)入人的眼睛，就叫人感覺(jué)到看見(jiàn)使它最后被彈開(kāi)的那個(gè)東西。
這種理論雖然有點(diǎn)符合經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，但光的問(wèn)題根本沒(méi)有因這種理論而得到解決�？茖W(xué)上的每一樣新發(fā)現(xiàn)都帶來(lái)一大堆新問(wèn)題。就光而言，從發(fā)光體發(fā)出的光是怎樣躍過(guò)空間進(jìn)入人的眼睛里？光是涼的還是熱的？它動(dòng)不動(dòng)？它動(dòng)的有多快？
這就出現(xiàn)了兩種理論：
光的粒子說(shuō)：光是由億萬(wàn)個(gè)光子或“微�！苯M成的，光子由發(fā)光體向各個(gè)方向射出好象一顆不斷爆炸的炸彈的碎彈片。
光的波動(dòng)說(shuō)：光可以象波那樣運(yùn)動(dòng)，把它的信息從一個(gè)地方帶到另一個(gè)地方。但是，這種學(xué)說(shuō)的困難在于一個(gè)波動(dòng)并不僅僅是一個(gè)波動(dòng)，因?yàn)椴ǖ膫鞑バ枰劫|(zhì)光能夠在真空中傳播，那么，真空中有媒質(zhì)嗎？如果有某種物質(zhì)性的東西充滿真空那它就不是真空。這就是說(shuō)，由于缺少一種媒質(zhì)好讓我們所講的波能在里面崐波動(dòng)，就得殘酷地拋棄這種大有前途的理論？不！哪個(gè)科學(xué)家也不會(huì)這樣做�？茖W(xué)家驚人的想象力稍微發(fā)揮一下，就很容易地解崐決了這個(gè)問(wèn)題：宇宙空間充滿了一種無(wú)處不在、又看不見(jiàn)摸不著的非物質(zhì)性的媒質(zhì)－－以太。光就是在這種媒質(zhì)（以太）中傳播。
這就有了兩派彼此抗衡的光的學(xué)說(shuō)：微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)。那么，哪一派正確呢？偉大的牛頓支持微粒說(shuō)。他覺(jué)得，波有衍射現(xiàn)象，但光是沿著直線傳播的，又有誰(shuí)見(jiàn)過(guò)光拐彎呢？所以他相信微粒說(shuō)。固然，那時(shí)關(guān)于光，已知有許多奇妙事實(shí)同微粒說(shuō)是不相容的，可這對(duì)于絕頂聰明的牛頓來(lái)說(shuō)，攻克這樣的難題還不是小菜一碟？他用粒子說(shuō)對(duì)當(dāng)時(shí)所知的光的一切現(xiàn)象都作了解釋,只是稍微犧牲了一點(diǎn)簡(jiǎn)單性而已。比如，為了解釋某種光學(xué)現(xiàn)象，他崐把光子想象成鳥(niǎo)似的一起一伏的飛翔。雖然波動(dòng)說(shuō)在牛頓時(shí)代也不乏擁護(hù)者，以荷蘭物理學(xué)家惠更斯為首的波動(dòng)論者，把他們的主要希望寄托在一個(gè)這樣的事實(shí)上：微粒相碰時(shí)，應(yīng)該彼此彈開(kāi)，然而實(shí)驗(yàn)表明，兩束光相遇時(shí)，彼此交叉而過(guò)，互不影響。不過(guò)，波動(dòng)說(shuō)要同的微粒說(shuō)抗衡僅有這一實(shí)驗(yàn)作基礎(chǔ)能有多大的勝利的希望呢？因?yàn)橛心敲匆粋�(gè)天才巨人牛頓站在他們的對(duì)立面！
高山為谷，大海為陵。三十年河?xùn)|，三十年河西。牛頓逝世后，關(guān)于光又有了新的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，而新發(fā)明的數(shù)學(xué)方法又為波動(dòng)說(shuō)提供了解決困難的有力工具。
波動(dòng)說(shuō)的支持者認(rèn)為，之所以看不到光的衍射現(xiàn)象，是因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)太短，如果障礙物的尺寸與光的波長(zhǎng)相差不多，就應(yīng)能看到光拐彎的現(xiàn)象。并還推測(cè)出光不僅有衍射現(xiàn)象，還應(yīng)有干涉現(xiàn)象。實(shí)際上，早在牛頓時(shí)代，人們就已經(jīng)觀察到了光的干涉現(xiàn)象。而牛頓卻一直提不出真正圓滿的說(shuō)明�？磥�(lái)微粒說(shuō)要倒霉了。
牛頓死后大約一百年，托馬斯·揚(yáng)在公元１８１７年提出了光是橫波的假說(shuō)，法國(guó)的一位土木工程師菲涅爾以此為基礎(chǔ)，在１８１８年提交了一篇應(yīng)征巴黎科學(xué)院懸賞征求闡述光折射現(xiàn)象的論文。在這篇文章中，他提出了一整套高度完善的波動(dòng)說(shuō)理論，這個(gè)理論是哪樣的簡(jiǎn)潔和有力。無(wú)論當(dāng)時(shí)那么多復(fù)雜漂亮的實(shí)驗(yàn)，以及所有已知的光學(xué)現(xiàn)象沒(méi)有一個(gè)它解釋不通的。但粒子說(shuō)并不甘心就這樣灰溜溜地退出歷史舞臺(tái)。著名數(shù)學(xué)家泊松還要做垂死的掙扎。他根據(jù)菲涅爾的理論推算出光射到一個(gè)不透明的圓板上，在這個(gè)圓板的中心應(yīng)當(dāng)有一個(gè)亮斑－－泊松斑。顯然誰(shuí)也沒(méi)有看到過(guò)這種十分荒謬的現(xiàn)象。所以，泊松興高采烈地宣稱他駁倒了菲涅爾的波動(dòng)理論。然而他高興的似乎早了點(diǎn)。波動(dòng)說(shuō)的支持者用實(shí)驗(yàn)的方法證明了圓板的陰影中心確實(shí)有這樣一個(gè)亮斑。這不過(guò)是光的一種衍射現(xiàn)象。這真是搬起石頭砸自己的腳，如《紅樓夢(mèng)》里所說(shuō)的，“機(jī)關(guān)算盡太聰明，反算了卿卿性命”。波動(dòng)說(shuō)的理論基礎(chǔ)反而由此更加牢固了。但波動(dòng)說(shuō)并不就此罷休。它還需要有更近一步的證據(jù)去證明微粒說(shuō)是錯(cuò)的。這就是法國(guó)人傅科所做的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)：測(cè)量光在水中的速度。因?yàn)閮膳衫碚撛谶@一點(diǎn)上有重大分歧：按牛頓的光子說(shuō)，光在水中的速度應(yīng)大于光在真空中的速度；而波動(dòng)說(shuō)則堅(jiān)持認(rèn)為水中的光速一定小于真空中的光速。誰(shuí)是誰(shuí)非？科學(xué)等待了很久，終于由傅科用實(shí)驗(yàn)的方法證明水中的光速恰與波動(dòng)說(shuō)預(yù)計(jì)值相吻和。
遭此一系列的打擊，微粒說(shuō)的照命星隕落了，波動(dòng)說(shuō)以勝利者而沾沾自喜時(shí)，還沒(méi)有忘記“宜將勝勇追窮寇，不可沽名學(xué)霸王”這一古訓(xùn)。它還要得到更大的支持，要置微粒說(shuō)于十八層地獄。這就是法拉第對(duì)電與磁的研究，使多少有點(diǎn)停滯不前的古老的電磁學(xué)出現(xiàn)了復(fù)興。一個(gè)新的紀(jì)元開(kāi)始了。到了１８７２年麥崐克斯韋終于完成了他的鴻篇巨制《電磁學(xué)通論》這部電磁理論的經(jīng)典著作，他把法拉第那種表面上似乎很神秘的見(jiàn)解化成人們所能接受的的兩組微分方程－－麥克斯韋方程組，方程簡(jiǎn)潔、完美、整齊，不僅解決了當(dāng)時(shí)所知的所有的電磁學(xué)問(wèn)題，概括了所有的電磁現(xiàn)象，而且他根據(jù)這四個(gè)方程推導(dǎo)出應(yīng)當(dāng)存在電磁波這種東西，這種波應(yīng)當(dāng)按光速傳播，而且具有光的一切物理性質(zhì)。這就是說(shuō)，光是電磁波的一種，波動(dòng)說(shuō)的所有高超的理論都毫無(wú)例外地包含在新的電磁方程中。而這個(gè)方程組的另一個(gè)豐功偉績(jī)是把崐數(shù)百年來(lái)物理學(xué)家苦苦創(chuàng)造的數(shù)百種以太模型統(tǒng)一成了一種－－電磁以太。
然而，話還不能說(shuō)的太絕。要想使麥克斯韋的這個(gè)看起來(lái)是崐那么美妙的學(xué)說(shuō)被人們所接受，必須用實(shí)驗(yàn)的方法產(chǎn)生出麥克斯韋所假設(shè)的電磁波來(lái)。否則，只能看成是一種很有趣的假說(shuō)。這可是一件十分難辦的事情。困難主要還不在于產(chǎn)生電磁波，而在于怎樣證明電磁波當(dāng)真產(chǎn)生了。一年年過(guò)去了，并沒(méi)有探測(cè)到這種波，物理學(xué)家們對(duì)麥克斯韋的見(jiàn)解是否正確開(kāi)始有了疑慮。在流言誹語(yǔ)中，麥克斯韋死了。
在他逝世的七年后，德國(guó)人赫茲歷經(jīng)三年終于于１８８８年在一系列的輝煌實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到了電磁波。這些實(shí)驗(yàn)到處受人的歡呼，被認(rèn)為在磐石般的實(shí)驗(yàn)事實(shí)上，出色地證實(shí)了麥克斯韋理論崐的正確性。這可不是一個(gè)貧乏無(wú)味的理論，它不僅有不可估量的崐商業(yè)價(jià)值，而且還使人們不得不相信無(wú)線電波同光波是一樣的，不同的只是頻率。在可見(jiàn)光的兩端還存在著大量的不可見(jiàn)光：比紫光頻率高的有紫外線、Ｘ射線、γ射線；比紅光頻率低的有紅外線和各種無(wú)線電波等。到此，光是一種波，已經(jīng)用數(shù)學(xué)上精美崐雅致永遠(yuǎn)不變的圖式嚴(yán)格固定了。光的所有細(xì)節(jié)經(jīng)過(guò)幾代人的努力被揭露的詳細(xì)無(wú)遺并被絲毫不差地納入了莊嚴(yán)的數(shù)學(xué)定律中。
波動(dòng)說(shuō)勝利了。他們以雷霆萬(wàn)鈞之力壓倒了不幸的微粒說(shuō)。他們確有理由自豪：宏偉的宇宙受已知方程支配，光的一切現(xiàn)象在理論上都可以預(yù)言，并按已知的定律由原因莊嚴(yán)地進(jìn)行到結(jié)果。拓荒者的工作已經(jīng)完成，沒(méi)有絲毫基本的東西尚待發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在只是擴(kuò)展已有的知識(shí)的細(xì)節(jié)問(wèn)題。
微粒說(shuō)死了。它已喪失了一切生存的理由。
光陰似箭，日月如梭。時(shí)間就這樣一天天的過(guò)去了。物理學(xué)家們?cè)谧约业奶飯@里“采菊東籬下，悠然見(jiàn)南山”。雖然少數(shù)具有近乎先知先覺(jué)能力的人對(duì)天邊漂來(lái)的幾朵烏云而察覺(jué)到遠(yuǎn)方的風(fēng)暴暗中趨進(jìn)，但是他們的警告對(duì)打亂一般人的鎮(zhèn)靜無(wú)憂不大起作用。
就在赫茲尋找麥克斯韋的電磁波的實(shí)驗(yàn)中，他注意到了一個(gè)奇妙的事實(shí)：用紫外光照到實(shí)驗(yàn)裝置上，電磁波出來(lái)的稍微容易些。但這種現(xiàn)象與證實(shí)電磁波的存在相比，就太微不足道了。他不能領(lǐng)會(huì)到，這恰是哪天邊的幾朵烏云之一。令人遺憾。
科學(xué)沒(méi)有永恒的理論。一個(gè)理論所預(yù)言的論據(jù)常常被實(shí)驗(yàn)所崐推翻。任何一個(gè)理論都有它的逐漸發(fā)展和成功的時(shí)期，經(jīng)過(guò)這個(gè)時(shí)期以后，它就會(huì)很快地衰落。差不多科學(xué)上的重大進(jìn)步都是由于舊理論遇到了危機(jī)通過(guò)盡力尋找解決困難的方法而產(chǎn)生的。為了使我們的這個(gè)故事能夠繼續(xù)下去，我們必須想象一下在嚴(yán)寒的冬天人們最美好的希望是坐在熊熊的爐火旁。這是因?yàn)闋t火能放出某種看不見(jiàn)的、給人以熱的感覺(jué)的射線－－實(shí)際上是輻射出電磁波。在科學(xué)上稱這種現(xiàn)象為熱輻射。這是自然界中的一件很平常的事。但人們?cè)趯ふ疫@種現(xiàn)象的基本規(guī)律時(shí)卻遇到了一點(diǎn)麻煩。這一種現(xiàn)象需要用兩個(gè)定律來(lái)描述。物理學(xué)家都有一個(gè)尋求普遍定律的嗜好。他們一旦發(fā)現(xiàn)同一現(xiàn)象可以用幾個(gè)定律在不同方面進(jìn)行描述時(shí)，便立即嘗試將這些定律合成單一的普遍定律，使之能同時(shí)概括所有的方面。
英國(guó)物理學(xué)家瑞利和金斯將熱輻射的定律合二為一了，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合�？墒遣痪脜s發(fā)現(xiàn)在熱物體輻射出紫外線時(shí)新的定律便告失效。這種荒唐的局面被稱為“紫外災(zāi)變”。這是上世紀(jì)末發(fā)生的事。那時(shí)候任何人也沒(méi)有想到，這不僅僅是某一個(gè)頗為特殊的定律的災(zāi)難，而是摧毀這個(gè)定律全部理論基礎(chǔ)－－經(jīng)典物理學(xué)的災(zāi)難。
當(dāng)一種理論在很順利地發(fā)展時(shí)，會(huì)突然出現(xiàn)一些出乎意料的阻礙，這種情況在科學(xué)上時(shí)常發(fā)生。所以物理學(xué)家對(duì)“紫外災(zāi)變”不以為然。麥克斯韋的電磁理論之所以能夠成為經(jīng)典，是因?yàn)樗兄褪愕膶?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。這是千真萬(wàn)確、不容置疑的。為了克服這個(gè)偉大的理論所面臨的這一點(diǎn)點(diǎn)小困難，不少的具有一流頭腦的物理學(xué)家紛紛放下手頭的工作轉(zhuǎn)而為此“仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智”。其中德國(guó)科學(xué)家普朗克脫穎而出。此時(shí)，普朗克已年過(guò)四十，但他卻以從未有過(guò)的青春活力和激情瘋狂地工作著。以無(wú)比的毅力建立了、又推翻了一個(gè)又一個(gè)理論模式。在懊喪之余，他意識(shí)到與其說(shuō)事實(shí)不符合理論，毋寧說(shuō)是理論不符合事實(shí)。在就是說(shuō)，如果事實(shí)不能被理論說(shuō)明，那是理論不中用，理論必須在新的基礎(chǔ)上重建。在這個(gè)重大信念的指使下，使他看到了挽救局面的希望。他象狂人般地用了幾個(gè)星期的時(shí)間傾全力攻克這個(gè)問(wèn)題，最后他終于杜撰出一個(gè)公式－－它純粹是一些不相關(guān)量的偶然結(jié)合，而其物理意義又非常不合公認(rèn)的傳統(tǒng)理論，但卻奇跡般地與實(shí)驗(yàn)十分吻合。要精確敘述普朗克的推理論證，需涉及太多的數(shù)學(xué)抽象概念，但這個(gè)理論的精髓卻很簡(jiǎn)單：物體以電磁波的形式放出或吸收的能量都是一捆一捆的。為了方便，他把這種捆稱為能“量子”。這一結(jié)果是新物理學(xué)誕生的壯麗標(biāo)志，由它要產(chǎn)生天大的事件，也使后人將普朗克稱為量子力學(xué)之父。但他的哪些所謂的能量子在經(jīng)典的電磁理論中無(wú)疑是異教邪說(shuō)，因?yàn)殡姶挪〝y帶的能量是連續(xù)的，而不是一份一份的。因此他感到恐怖萬(wàn)分。他曾十分內(nèi)疚地說(shuō)：“經(jīng)典理論給了我們這樣多有用的東西，因此必須以最大的謹(jǐn)慎對(duì)待它，維護(hù)它”。而科學(xué)界也對(duì)他的哪個(gè)無(wú)理論依據(jù)的與傳統(tǒng)觀念格格不入的公式給予了極大的冷漠。以至于在多少年后他還在拼命修改他的學(xué)說(shuō)，使他不至于成為麥克斯韋經(jīng)典理論的叛徒。
人類只有在某一類事情上做盡一切可以想象的傻事以后，才能在這一類事情上得到一點(diǎn)合理的東西。
一年一年過(guò)去了，普朗克的見(jiàn)解過(guò)著風(fēng)雨漂搖的生活。似乎已被他的創(chuàng)始者所拋棄。但是金子總是要發(fā)光的。歷史在次證明，偉大的需要產(chǎn)生偉大的人物。１９０５年，伯爾尼的瑞士專利局的某位職員在德國(guó)《物理學(xué)雜志》第十七期上同時(shí)發(fā)表了三篇驚世駭俗的文章，其中的一篇為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性的觀點(diǎn)》中說(shuō)，按照麥克斯韋的理論，對(duì)于一且純電磁現(xiàn)象因而也對(duì)于光來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)把能量看成是一個(gè)連續(xù)的空間函數(shù)，但這個(gè)理論會(huì)導(dǎo)致和實(shí)驗(yàn)相矛盾。如果用光的能量在空間不是連續(xù)分布的，而是由能量子組成的，似乎更好一些。這段話意思就是說(shuō)為了使理論與實(shí)驗(yàn)相符，光不僅是成束地被物質(zhì)所吸收或放出，而且在脫離物質(zhì)后也必定以某種方式表現(xiàn)的象一個(gè)粒子：光粒子這種提法不是反革命復(fù)辟嗎？是誰(shuí)有這么大的膽量在波動(dòng)說(shuō)一統(tǒng)天下的今天敢重彈微粒說(shuō)的老調(diào)？他就是后來(lái)被稱為物理學(xué)的三個(gè)偉人之一－－阿耳波特.愛(ài)因斯坦。但當(dāng)時(shí)他是何許人也？他不是學(xué)者、教授，而卻要復(fù)辟光的微粒說(shuō)，要證明關(guān)于電磁現(xiàn)象這個(gè)在審美上令人滿意的、精心證實(shí)了的理論基本上是錯(cuò)誤的，真是癩蛤蟆想吃天鵝肉。
科學(xué)的探索不是坐軟臥車廂，那兒有唯一太平的軌道�？茖W(xué)的遠(yuǎn)征是在巨浪滔天的大洋上航行，可能要用青春和生命去殉自己的事業(yè)。唯有清醒和堅(jiān)定的人才能達(dá)到目的地。愛(ài)因斯坦的這種獨(dú)特非凡的見(jiàn)解是長(zhǎng)期思維活動(dòng)中的一種頓悟，他以巨大的魄力把傳統(tǒng)的理性和邏輯框架拋置在一邊，經(jīng)深思和有力的論證，不是輕率浮泛地、而是明確定量地對(duì)波動(dòng)說(shuō)發(fā)起了一次又一次地攻擊。表現(xiàn)出是一名威力非凡的斗士，激起越來(lái)越多的研究者風(fēng)從。他們“橫掃千軍如卷席”，用光的微粒說(shuō)直接對(duì)波動(dòng)說(shuō)為圖方便而避開(kāi)不談的實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出簡(jiǎn)明的解釋。特別是愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋，更是新的光的微粒說(shuō)－－光子說(shuō)的重大勝利。
早在１８７２年，莫斯科大學(xué)教授斯托列托夫就發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。赫茲在證實(shí)電磁波的哪個(gè)實(shí)驗(yàn)中所注意到的那種奇特效應(yīng)就是光電效應(yīng)，后來(lái)，他的學(xué)生又對(duì)這種效應(yīng)做的大量的研究，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。這種成為現(xiàn)今電影、電視等基礎(chǔ)的效應(yīng)如同“紫外災(zāi)變”一樣使光的波動(dòng)說(shuō)感到為難：偉大麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論在這些事實(shí)面前顯的是那樣的蒼白無(wú)力。用愛(ài)因斯坦的光子解釋這些事情如同探囊取物耳。
不過(guò)，由于波動(dòng)說(shuō)同麥克斯韋的電磁理論結(jié)成的美滿的策略性婚姻而陣地強(qiáng)固，要恢復(fù)已失去的容譽(yù)，復(fù)活的微粒說(shuō)并不能實(shí)現(xiàn)速戰(zhàn)速?zèng)Q。從而使得物理學(xué)戰(zhàn)云密布，烽火四起。
波動(dòng)說(shuō)的武裝力量是雄厚的，如光的干涉、衍射，水中光速的測(cè)量等。這些實(shí)驗(yàn)成為在對(duì)微粒說(shuō)的斗爭(zhēng)中波動(dòng)說(shuō)武庫(kù)里的最有力的進(jìn)攻性武器。微粒說(shuō)若對(duì)這些固若金湯的城堡發(fā)動(dòng)任何進(jìn)攻是注定要失敗的。但新的微粒說(shuō)是狡猾的，他們探尋到了那些因波動(dòng)說(shuō)感到太蒼涼、險(xiǎn)惡而無(wú)人問(wèn)津、耕墾的荒原。在這個(gè)不毛之地上叩探到了豐富的黃金礦脈，并用來(lái)生產(chǎn)出許多新式武器崐來(lái)抵御波動(dòng)說(shuō)。其中威力最大、最若人注目的仍屬光電效應(yīng)。美國(guó)的密立根１９１５年十分精密而完整地證實(shí)了光電效應(yīng)方程，終于使的愛(ài)因斯坦獲的了１９２１年的諾貝爾物理獎(jiǎng)，兩年后，密立根因他的精密測(cè)量極其出色地證實(shí)了愛(ài)因斯坦的見(jiàn)解也獲得了這項(xiàng)殊榮。光子說(shuō)的又一新式武器是１９２３年美國(guó)的物理學(xué)崐家康普頓利用英國(guó)物理學(xué)家威爾遜發(fā)明的云霧室成功得觀察到了光子與電子碰撞現(xiàn)象，從而使他們二人合得１９２８年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。
流光如水，硝煙彌漫了四分之一世紀(jì)，戰(zhàn)斗淪為了塹壕戰(zhàn)。光子不能奪取波動(dòng)的固有領(lǐng)土，波動(dòng)也不能蹂躪光子的疆域。只好畫(huà)出一個(gè)三八線，各自安安生生地守住自己的陣地�？茖W(xué)的原野分屬了兩個(gè)交戰(zhàn)的陣營(yíng)，前景即不是速見(jiàn)分曉，也不是合理的妥協(xié)。戰(zhàn)爭(zhēng)的唯一犧牲品是以太。無(wú)論對(duì)陣營(yíng)的哪一方，它都成為多余。這個(gè)令十九世紀(jì)最優(yōu)秀的科學(xué)家絞盡腦汁、耗盡心血的崐東西終于從物理學(xué)中絕跡了。而它的掘墓人仍是那位在１９０５年德國(guó)《物理學(xué)雜志》第十七期上同時(shí)發(fā)表了三篇驚世駭俗的文章愛(ài)因斯坦。遺憾的是他卻并沒(méi)有因《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》而獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)金。
科學(xué)對(duì)這樣的局面并不陌生：一個(gè)學(xué)說(shuō)適用于一組事實(shí)，而另一組學(xué)說(shuō)能解釋另一組事實(shí)。但是，在以前的事實(shí)中，所以出現(xiàn)這種局面，總有個(gè)理由好象說(shuō)得通。例如，麥克斯韋方程不適用于萬(wàn)有引力，這并沒(méi)有引起不安，因?yàn)樵谀莻�(gè)階段上，誰(shuí)也沒(méi)料想到會(huì)發(fā)現(xiàn)電和引力有什么關(guān)聯(lián)。但是現(xiàn)在物理學(xué)眼前卻是個(gè)全新的局面：同一個(gè)實(shí)體－－光－－既是波又是微粒。為了解釋干涉、衍射，光必須是波；而光電效應(yīng)又使它成為粒子。這種剪不斷、理還亂的兩難局面叫每一個(gè)真正物理學(xué)家坐臥不安、心驚肉跳：光居然是兩種如此矛盾的東西，真不夠意思。科學(xué)中暗藏著這樣一種未澄清的二象性，侵蝕了它的要害部位，這是同物理學(xué)的一切理想和傳統(tǒng)都格格不入的。然而，兩方各自如山的鐵證又是那樣無(wú)隙可擊。物理學(xué)家心中的那種苦啊，令人慘不忍睹。他們也只能隨遇而安，帶著一副愁眉苦臉?biāo)奶幣腔�，悲嘆他們?cè)谛瞧谝�、三、五必須把光看成是波，而在星期二、四、六又必須將光看成是粒子。那么，星期天呢？他們干脆就祈求上天保佑了�?BR>物。１９０５年，伯爾尼的瑞士專利局的某位職員在德國(guó)《物理學(xué)雜志》第十七期上同時(shí)發(fā)表了三篇驚世駭俗的文章，其中的一篇為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性的觀點(diǎn)》中說(shuō)，按照麥克斯韋的理論，對(duì)于一且純電磁現(xiàn)象因而也對(duì)于光來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)把能量看成是一個(gè)連續(xù)的空間函數(shù)，但這個(gè)理論會(huì)導(dǎo)致和實(shí)驗(yàn)相矛盾。如果用光的能量在空間不是連續(xù)分布的，而是由能量子組成的，似乎更好一些。這段話意思就是說(shuō)為了使理論與實(shí)驗(yàn)相符，光不僅是成束地被物質(zhì)所吸收或放出，而且在脫離物質(zhì)后也必定以某種方式表現(xiàn)的象一個(gè)粒子：光粒子這種提法不是反革命復(fù)辟嗎？是誰(shuí)有這么大的膽量在波動(dòng)說(shuō)一統(tǒng)天下的今天敢重彈微粒說(shuō)的老調(diào)？他就是后來(lái)被稱為物理學(xué)的三個(gè)偉人之一－－阿耳波特.愛(ài)因斯坦。但當(dāng)時(shí)他是何許人也？他不是學(xué)者、教授，而卻要復(fù)辟光的微粒說(shuō)，要證明關(guān)于電磁現(xiàn)象這個(gè)在審美上令人滿意的、精心證實(shí)了的理論基本上是錯(cuò)誤的，真是癩蛤蟆想吃天鵝肉。
