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“光”的简明史话
张慧勇   
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【摘要】光,自古以来就被认为是宇宙最原始的事物之一。在远古神话中,往往是“一道亮光”劈开混沌和黑暗,于是世界开始了运转;在西方《圣经》里,神要创造世界,首先要创造的就是光,光在人们的心目中,永远代表着生命,活力和希望。 可是,光是什么? 本文从人类对“光”的最初认识讲起,为读者介绍“光”的历史。

光,自古以来就被认为是宇宙最原始的事物之一。在远古神话中,往往是“一道亮光”劈开混沌和黑暗,于是世界开始了运转;在西方《圣经》里,神要创造世界,首先要创造的就是光,光在人们的心目中,永远代表着生命,活力和希望。

可是,光是什么?

早期的哲学家们猜想,光是一种从我们的眼睛里发射出去的东西,当它到达物体时,物体就可以被我们所“看见”了。古希腊哲学家欧几里德在《光学》著作中,通过研究透视问题,认为视觉是眼睛发出光线到达物体结果。但对光成像的正确认识直到公元1000年左右才被波斯的阿尔·海桑所提出:原来我们能够看到物体,只是由于光从物体上反射到我们眼睛里的结果。

而关于光的一些性质,人们在很早就开始研究并认为光是沿直线传播的。比如欧几里德给出了光的入射角等于反射角的结论;提出“地心说”的托勒密著有《光学》五卷,认为光线在折射时入射角与折射角成正比关系;海桑和开普勒(发现行星运动三大定律)也都对光的折射性质进行了研究;基于这些前期工作基础,荷兰的斯涅耳于1621年总结出光的折射定律;最终,光的种种性质被有“业余数学之王”之称的费尔马归结为一个简单的法则,即“光总是走最短的路线”。当人们已经对光的种种行为了如指掌的时候,却依然有一个最基本的问题没有得到解决,那就是:“光在本质上究竟是一种什么东西?”

古希腊时代的人们把光看成是一种非常细小的粒子流,这种理论称之为光的“微粒说”。它可以很好地解释为什么光总是沿着直线前进,为什么会出现反射、折射现象。但是微粒说也有一些显而易见的困难:比如很难说清为什么两道光束交互时不会互相弹开,人们也无法得知,这些细小的光粒子是隐藏在何处的,它们的数量是不是无限多,等等。

而关于光是一种波动的认识是十七世纪初,笛卡儿在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中率先提出的:光是一种压力,在媒质里传播。不久后,意大利的格里马第在实验中发现一束光穿过两个小孔后,在投影边缘出现明暗条纹的图像,于是提出:光可能是一种类似水波的波动,这就是最早的光波动说。

波动说认为,光不是一种物质粒子,而是由于介质的振动而产生的一种波。光的波动说容易解释投影里的明暗条纹,也容易解释光束可以互相穿过互不干扰。关于直线传播和反射的问题,人们很快就认识到光的波长是很短的,在大多数情况下,光的行为就如同经典粒子一样。但是波动说有一个基本的难题,那就是任何波动都需要有介质才能够传递。而光则不然,它似乎不需要任何媒介就可以任意地前进。于是它假设了一种看不见摸不着的介质来实现光的传播,这种介质叫做“以太”。

于是关于光究竟是什么的问题,在十七世纪中期有了两种可能的假设:微粒说和波动说。

最初导致光的微粒说和波动说争执来自波义耳在1663年提出的颜色理论,引起了对颜色属性的激烈争论。英国的胡克通过观察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,在1665年出版的《显微术》一书中明确地支持波动说。然而1672年,一位叫做艾萨克·牛顿的论文《关于光与色的新理论》把光的复合和分解比喻成不同颜色微粒的混合和分开。此外,荷兰的惠更斯认为光是一种在以太里传播的纵波,并引入了“波前”的概念,成功地证明和推导了光的反射和折射定律,随着1690年《光论》出版,标志着波动说的顶点。但是1704年,牛顿出版了《光学》,详尽地阐述了光的色彩叠合与分散,从粒子的角度解释了薄膜透光,牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象。他驳斥了波动理论,提出了许多用波动理论无法解释的问题。结果,牛顿的声望使得微粒说牢牢占据了物理界的主流,取得了在物理上被普遍公认的地位。

但是英国的托马斯·杨于1801年和1803年分别发表论文,阐述如何用光波的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象。甚至计算出了光的波长。在1807年出版了他的《自然哲学讲义》,并第一次描述了著名的光的双缝干涉,使光的波动论重新登上历史的舞台。

在1818年法国科学院举办的征文竞赛中,菲涅耳采用了光是一种波动的观点,并认为光是一种横波,他以严密的数学推理,圆满地解释了光的衍射,并解决了一直以来困扰波动说的偏振问题。菲涅尔理论把微粒说从统治的地位赶了下来。随后在真空和水的光速测量中,彻底宣判了微粒说的死刑,波动论终于登上了物理学统治地位的宝座。其后,麦克斯韦于1856,1861和1865年发表了三篇关于电磁理论的论文,其理论预言光只是电磁波的一种。并由赫兹在1887年用实验证实了。此时波动说的光辉到达了顶点。

但是波动说还存在一个困难,就是以太的问题。1886年迈克尔逊 -莫雷实验结果说明“以太”并不存在,动摇了当时经典物理学的基础,为狭义相对论的建立铺平了道路。并且黑体辐射实验和理论的不一致最终导致量子理论的出现。在这个崭新的理论中,光是具有波粒二象性的。

-完-
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“光”的简明史话
张慧勇

学校:吉林日报社

学历:专科

专业:财政学

职业:记者

评委点评 评语汇总

文章对人类对光的认识的发展进行了介绍,从经典物理学跨度到现代物理学中光起到了很大的作用,结尾处只是略微提起,可以更加深入详细的写一写,应当再斟酌些许。

2018-10-27 17:12 匿名 ——

文章按照时间顺序介绍各个时期关于光的发现和发展,内容丰富,涵盖的知识面广,写法过于生硬,缺少故事性。

2018-10-12 15:59 匿名 ——

文章读来像百科中的介绍,按照时间顺序介绍各个时期关于光的发现和发展,科普性强,但是作为科普文来说还是道行欠深。

2018-09-27 16:21 吴瀚轩 ——

文章里不够通俗,文字比较官方生硬,就文章科普内容而言,没有很直观地向读者展现出“光”具体的实质,如果直接科普“光波粒二象性”的具体内容会更好。

2018-09-20 15:37 赵文杰 ——

此文是光学发展史中部分的简史,不是“光”本身的简史。某篇布局不清晰,故事性稍差,结尾很突然。

2018-09-16 16:00 匿名 ——

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