光的本性之争

    光的本性是什么？对这个问题自古以来就有不同的回答。到17世纪，形成了一场关于光的本性的争论，也就是微粒说和波动说之争。这场争论，是科学（特别是光学）发展的产物，同时又成为科学新发展的动力。微粒说是以牛顿为代表，波动说则是以胡克、惠更斯为代表。

　　1672年2月6日，牛顿在送交皇家学会的“关于光和色的新理论”一文中表明了自己对光的物质性的见解，认为“光线可能是球形的物体”，这就是我们通常所说的光的微粒说的最早表述。这种观念，很容易解释光的直线传播，同时也能解释光的反射和折射。但是这篇论文一经发表，就引起了激烈的争论，反对光的本性的微粒见解的人就是胡克。

　　胡克（Robert Hooke，1635.7.18—1703.3.3）是英国物理学家。他对弹性力定律的发现和论证，一直保存到现在，称为胡克定律。对光的本性问题，胡克主张光是一种振动。他举出金刚石受到摩擦、打击或加热时，在黑暗中会发光的例子来证明光必定是一种振动。同时他还以金刚石的坚硬特性，提出这种振动必定是短促的。当讨论光的直线传播和光速有限时，胡克认为，在一种均匀媒质中，这一运动在各个方面都必将成为一个球面。这个球面将不断地扩大，如同把一石块投入水中后，在水面一点周围的环状波膨胀为越来越大的圆圈那样。由此可见，胡克实际上已接触到了波前和波面的概念。

　　胡克与牛顿争论时，提出了不少问题，特别是微粒说所不能解释的一些事例。为了回答胡克提出的问题，牛顿又进一步研究，想办法完善自己的假设和理论。由于牛顿对振动和波动过程有一个严格的了解并有一个严整的数学原理，在与胡克的争论过程中，便认为自己关于光的粒子结构的理论是正确的，但是他也表明没有绝对肯定这个结论，所以只能用“可能”两个字来表示。进而认为这个结论在极端情况下，仅是自己学说的大概结果，而不是它的基本前提。

　　1675年12月9日，牛顿向皇家学会又提交了一篇题为“涉及光和色的理论的假说”的论文，论文中提出了一个把光的微粒和以太的振动相结合的新假说。认为“以太的振动在这一假说和那一假说中都是一样有用的和不可缺少的。因为假定光线是从发光物质向各方面发射出去的小的微粒的话，那么当它们碰到任何一种折射或反射表面时，就必然要在以太中引起振动，正如石块被投到水中时要引起振动一样。我还假定，这些振动将按照激发它们的上述颗粒性光线的大小和速度不同而有不同的深度和厚度。”“只有这样，它才能如此普遍而无所不包，以致把其他的假说也都包罗在内，而不需要创造什么新的假说。”

　　1675年12月21日，牛顿在给皇家学会秘书奥尔登堡（H.Oldenburg）的信中谈到了自己和胡克看法的不同之处，牛顿认为，“除了假定以太是一种能振动的媒质以外，我和他没有什么共同之点。然而我的这个假定有和他很不相同的看法：他认为能振动的以太就是光本身，而我则认为它不是。”与此同时，牛顿在其他论文中又提出并确立了光的周期性。他在研究光在薄板上的干涉和干涉后颜色随薄板的厚度而改变的现象时，发现了光的周期性，并测量出周期性变化的序列，实质上，他已成为第一个测量光波的波长的人。

　　当牛顿在皇家学会上宣读新的论文、阐述新的假说时，胡克却提出了优先权的要求。于是，牛顿在愤慨之下，决定不发表光学著作。牛顿的多年来的关于光学方面的研究成果，都是在胡克死后的一年——1704年发表在他的《光学》著作中。这就是《光学》为什么这么晚才发表的缘由。这一偶然事件，影响了光学的发展。

　　综上所述，可以看出，对光的本性的理解，牛顿基本上倾向微粒说，他认为“光线是否是发光物质发射出来的很小的物体？因为这样的一些物体能直线穿过均匀媒质而不会弯到影子区域里去，这正是光线的本性。”“我们并不需要别的，而只要把光线看作是微小的物体，这些微粒用它们的吸引力或某种其他的力在它们对之作用的物质中激起振动，这些振动比光跑得更快，连续不断地赶上光线，并激动它们，乃至轮流地增加或减小它的速度，从而使它们处于这种一阵一阵的猝发状态之中。”但是在牛顿的学说中，后来也加进了以太的振动。

　　坚持光的波动说，并想法建立理论来解释它们的，则是荷兰物理学家惠更斯（ChristianHuygens，1629.4.14—1695.6.8）。1678年，惠更斯向法国科学院提交了著作——《光论》。在书中，惠更斯把光波假设为一纵波，推导和解释了光的直线传播、反射和折射定律，书中并未提到关于光谱分解为各种颜色的问题。惠更斯的光的波动理论是研究碰撞现象的一个直接结果，他认为光是一种冲量，它类似于球与球之间的冲量的传递，这一研究代表了光学研究中物理观念和数学观念的联合。

　　《光论》全书正文分成5章，分别为“论光线沿直线的传播”、“论反射”、“论折射”、“论空气中的折射”、“论冰洲石中的奇异折射”。最后再加一章，“论用于折射与反射的透明体的图形”。

　　《光论》的英译本直到1912年6月才出版，译者汤普生（SilvanusP.Thompson）认为，惠更斯的著作之所以晚200年才有英译本，可能是与牛顿的观点相抵触的所有想法，都被其门徒一概排斥的缘故。译者认为惠更斯的波动理论远远比不上杨氏和菲涅耳的理论（参阅本书第40页），惠更斯更多地涉及到几何光学，而不是物理光学。他认为光是纵波，但却没有提出波长、横向振动、干涉原理和波列的概念。

　　对于光的本性的认识，随着时间的推延，认识也在不断地前进。如果说，17世纪是牛顿的光的微粒说占优势的话，那么，到19世纪初，则是波动说占了统治地位（参阅本书第41页），到了20世纪初，人的认识又有了新的发展。

Add Comments

本文网址：http://www.tianliang.org/635010/