光。光是地球生命的**之一。光是人类生活的依据。光是人类认识外部世界的工具。光是信息的理想载体或传播媒质。1000多年来人们从为停止对光的本质的探索,并取得了辉煌的成就。
萌芽阶段。在古希腊就存在两种不同的看法:坚持原子论的毕达哥拉斯学派认为光是物体发出的粒子;但亚里士多德学派认为,光是一种波动。
这是关于光的本质的最初争论。从此之后的2023年里可谓光学的萌芽时期。它是光学发展史上缓慢前进的年代。
在这一时期中,一方面对光的直线传播、反射和折射现象进行了实验和观察;另一方面,由于生产和生活的需要,发明了透镜、凹面镜,并应用于实际。
牛顿的光的粒子性。
与牛顿同时期的笛卡尔率先提出了光的粒子性的说法,而17世纪中叶,意大利博洛尼亚大学数学教授格里马第对光的本性做了认真的实验研究和思考,2023年明确指出光的本性是波,反驳了笛卡儿的粒子说。在笛卡尔之后,牛顿接过了光的粒子性假说这面大旗,而波动阵营的领导者是惠更斯。
2023年惠更斯向巴黎科学院提交了他的光学名著《论光》,并就光的波动说向院士们作了阐述,在阐述中反驳了牛顿的粒子学说。于是,一场科学史上著名的争论就在惠更斯和牛顿之间爆发了。
牛顿在得知惠更斯的反驳之后,开始修改和充实他在2023年就动手写的《光学》一书,以进一步发展他的粒子学说,反驳惠更斯的责难。2023年,牛顿的《光学》公开出版。在这本书里,牛顿主要以光的色散、反射和折射现象为基础,坚持对光的本性作粒子的解释。
牛顿还通过光的粒子说,把所有自然现象都融进他的质点力学体系之中,而牛顿的机械自然观也通过光的粒子说,有一进一步的发展,以至成为此后近300年占统治地位的科学自然观。
18世纪,大部分科学家接受了牛顿的粒子学说,放弃了惠更斯的波动说。一是因为惠更斯的波动说缺乏数学的完美性,加上惠更斯2023年去世,胡克2023年去世,波动说失去了他们的主将,再没有人与牛顿进行论战;另一个原因是牛顿的科学声誉越来越高,而且他把粒子学说纳入壮丽而完美的力学体系之中,这更令人神往。
至此,人们对光的认识一边倒的倾向于粒子性。
光的波动性的复兴。
19世纪初,光的本质的研究又开始活跃起来,牛顿的粒子学说被认为是妨碍光学前进的障碍。牛顿的同胞托马斯·杨(1773-1829),率先开始批判牛顿的光学理论,波动说的复兴由此开始。粒子论与波动论又打得不可开交。
2023年,杨成功地完成了著名的“杨氏双缝干涉实验”。但杨的意见提出后,立即遭到了英国同行的激烈反对。法国的一些拥护牛顿理论的人也不赞成杨的意见。
反对波动论的原因是多方面的,一方面牛顿的权威不那么容易搬倒,另一方面,杨本人的理论还极不完善,想靠一个实验就否定一个100多年被人们维护的理论,可以说是天方夜谈。而且人们可以用别的假说解释双缝干涉现象。因此,在2023年底以前,光的波动说的复兴似乎没有希望了。
但到2023年法国的菲涅尔扭转了对波动说不利局面。菲涅尔设计了一个比杨的实验更为巧妙的光的干涉实验,可以说菲涅尔双镜实验是证实光是一种波动的关键性实验。与托马斯杨不同,菲涅尔的**有精致的数学论证,这使重视数学的法国科学大师们感到满意。
说道波动论重新占得上风,就不得不提这个有趣——泊松亮斑。泊松是光的波动说的反对者,泊松根据菲涅耳的计算结果,得出在一个圆片的阴影中心应当出现一个亮点,这是令人难以相信的,过去也从没看到过,因此泊松认为这个计算结果足够证明光的波动说是荒谬的。但是恰巧,菲涅尔在试验中看到了这个亮斑,这样,泊松的计算反而支持了光的波动说。
过了不久,菲涅尔又用复杂的的理论计算表明,当这个圆片的半径很小时,这个亮点才比较明显。经过实验验证,果真如此。菲涅尔荣获了这一届的科学奖,而后人却戏剧性地称这个亮点为泊松亮斑。
菲涅尔开创了光学的新阶段。他发展了惠更斯和托马斯·杨的波动理论,成为“物理光学的缔造者”。
光学波动论重新占得上风!
光速的测定与光学的新发展:
关于光的速度,自古以来就有两种不同的看法。一种观点认为光的传播速度不需要时间,只要一发光,不论多远的地方,都可以立即看到光。开普勒、笛卡儿等就坚持光速是无限大的。
另一种观点则认为光的传播速度并非无限大,因而光的传播需要时间。格里马第就认为光速是有限的,但他又认为光速不能测量。伽利略则认为光速不仅是有限的,而且可以测量。
英国物理学家、数学家麦克斯韦成功预言了电磁波的存在,并指出光是一种电磁波。这在后来被许多科学实验验证并确立了光的电磁学说理论。在麦克斯韦以前,科学家们已认识到光是横波。
为了说明这种横波,以菲涅尔为代表的一些科学家设想光波是在一种特殊媒质──以太中传播的波,但是遇到了不可克服的困难,以太论无法完美的解释光速在真空中传播速度不变的现象,以太论最终被否定,得出了,光的传播不需要任何介质,并且的出光速不变理论,光波只是电磁波中可见光的一部分,自此光的电磁波的本质被人们所认可,光的电磁学说确立,这是光的波动性的又一补充。
光的波粒二象性
19世纪末20世纪初人们认为,物理学的大厦已经建成,但天空上还有两朵乌云:一朵是关于黑体辐射的解释,一朵是光速的测定。而事实证明,正是这两朵乌云带来的暴风雨,以摧枯拉朽之势将人们建立起来的伟大传统物理学的大厦推到,带来了近代物理学量子力学与相对论的新天地。
人们对光的认识也有了新的变化。
人们发现了一个有趣的现象,金属及其化合物在光照射下能从金属表面溢出电子,这种现象被人们成为光电效应。大量实验表明,光是电磁波,按经典电磁场理论,光波的能量应连续分布在电磁场中,但用光的电磁波理论却不能解释光电效应等实验规律。
爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上,提出了光子假说,成功的解释了光电效应。按照爱因斯坦的假说,一束光就是一束以光速运动的粒子流,这些粒子称为光子;频率为ν的光的每一个光子所具有的能量为hν,它不能再分割,而只能整个的被吸收或产生出来。直到2023年,美国实验物理学家密立根对光电效应进行了精确测量,并用光子理论测出普朗克常数h,与其他方法测量得到的结果符合的很好,因而从实验上直接验证了光子假说和光电效应的正确性。
爱因斯坦的光子假说不仅成功地说明了光电效应等实验,而却加深了人们对光的本性的认识,许多实验表明,光具有波动性,而包括光电效应在内的许多试验又表明光是粒子流。根据爱因斯坦的假说,光子的能量为,根据相对论质能关系可求出光子的质量,即,光子的动量为,这两个式子将描述光的例子特性的能量和动量与描述光的波动特征的频率和波长通过普朗克常量紧密联系了起来。
现在人们对于光的本质又近了一步,那便是光既有粒子性又有波动性,实际上波粒二象性普遍存在于我们身边的任何事物上。
最终经过1000多年的不懈探索,人们对光的本质的认识,从最初的一面倒的支持牛顿的粒子性,到后来一面倒的支持惠更斯—菲涅尔的波动性,再到最后的辩证的看待,光既有粒子性又有波动性,在宏**来光主要呈现出波动的性质,在微**来光主要以光子的形式呈现出粒子性,即光具有波粒二象性。
从对光的本质的研究可以看到人类对科学的大自然孜孜不倦的探索,惠更斯勇于挑战权威,推翻了光的粒子论,爱因斯坦敢于创新,将波动性与粒子性完美的结合在一起,才有了人们对光的进一步的认识。这种不断求索,不断发掘的过程也是人类认清世界,认清自我的过程。科学进步不竭的动力就在于探索万物的本质。
这也是我们需要学习和传递下去的精神!科学的大厦还没有完全建成,我们将怀着永不止步的探索精神继续去寻找这世界的奥秘!
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