_崔丶小洋 2013-10-10

光的波粒二象性。 光的本質——波動說與微粒說的交鋒（三）十八世紀末，在德國自然哲學思潮的影響下，人們的思想逐漸解放。英國著名物理學家托馬斯·楊開始對牛頓的光學理論產生了懷疑。根據一些實驗事實，楊氏於1800年寫成了論文《關於光和聲的實驗和問題》。在這篇論文中，楊氏把光和聲進行類比，因為二者在重疊後都有加強或減弱的現象，他認為光是在以太流中傳播的彈性振動，並指出光是以縱波形式傳播的。他同時指出光的不同顏色和聲的不同頻率是相似的。在經過百年的沉默之後，波動學說終於重新發出了它的吶喊；光學界沉悶的空氣再度活躍起來。 1801年，楊氏進行了著名的楊氏雙縫干涉實驗。實驗所使用的白屏上明暗相間的黑白條紋證明了光的干涉現象，從而證明了光是一種波。 同年，楊氏在英國皇家學會的《哲學會刊》上發表論文，分別對“牛頓環”實驗和自己的實驗進行解釋，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。 1803年，楊氏寫成了論文《物理光學的實驗和計算》。他根據光的干涉定律對光的衍射現象作了進一步的解釋，認為衍射是由直射光束與反射光束干涉形成的。雖然這種解釋不完全正確，但它在波動學說的發展史上有著重要意義。 1804年，這篇論文在《哲學會刊》上發表。 1807年，楊氏把他的這些實驗和理論綜合編入了《自然哲學講義》。但由於他認為光是一種縱波，所以在理論上遇到了很多麻煩。他的理論受到了英國政治家布魯厄姆的尖刻的批評，被稱作是“不合邏輯的”、“荒謬的”、“毫無價值的”。 雖然楊氏的理論以及後來的辯駁都沒有得到足夠的重視、甚至遭人毀謗，但他的理論激起了牛頓學派對光學研究的興趣。 1808年，拉普拉斯用微粒說分析了光的雙折射線現象，批駁了楊氏的波動說。 1809年，馬呂斯在試驗中發現了光的偏振現象。在進一步研究光的簡單折射中的偏振時，他發現光在折射時是部分偏振的。因為惠更斯曾提出過光是一種縱波，而縱波不可能發生這樣的偏振，這一發現成為了反對波動說的有利證據。 1811年，布呂斯特在研究光的偏振現象時發現了光的偏振現象的經驗定律。 光的偏振現象和偏振定律的發現，使當時的波動說陷入了困境，使物理光學的研究更朝向有利於微粒說的方向發展。 面對這種情況，楊氏對光學再次進行了深入的研究，1817年，他放棄了惠更斯的光是一種縱波的說法，提出了光是一種橫波的假說，比較成功的解釋了光的偏振現象。吸收了一些牛頓派的看法之後，他又建立了新的波動說理論。楊氏把他的新看法寫信告訴了牛頓派的阿拉戈。 1817年，巴黎科學院懸賞徵求關於光的干涉的最佳論文。土木工程師菲涅耳也捲入了波動說與微粒說之間的紛爭。在1815年菲涅耳就試圖復興惠更斯的波動說，但他與楊氏沒有聯絡，當時還不知道楊氏關於衍射的論文，他在自己的論文中提出是各種波的互相干涉使合成波具有顯著的強度。事實上他的理論與楊氏的理論正好相反。後來阿拉戈告訴了他楊氏新提出的關於光是一種橫波的理論，從此菲涅耳以楊氏理論為基礎開始了他的研究。1819年，菲涅耳成功的完成了對由兩個平面鏡所產生的相干光源進行的光的干涉實驗，繼楊氏干涉實驗之後再次證明了光的波動說。阿拉戈與菲涅耳共同研究一段時間之後，轉向了波動說。1819年底，在非涅耳對光的傳播方向進行定性實驗之後，他與阿拉戈一道建立了光波的橫向傳播理論。 1882年，德國天文學家夫琅和費首次用光柵研究了光的衍射現象。在他之後，德國另一位物理學家施維爾德根據新的光波學說，對光透過光柵後的衍射現象進行了成功的解釋。 至此，新的波動學說牢固的建立起來了。微粒說開始轉向劣勢。 （四）隨著光的波動學說的建立，人們開始為光波尋找載體，以太說又重新活躍起來。一些著名的科學家成為了以太說的代表人物。但人們在尋找以太的過程中遇到了許多困難，於是各種假說紛紛提出，以太成為了十九世紀的眾焦點之一。 為了解決各種問題，1839年柯西提出了第三種以太說，認為以太是一種消極的可壓縮性的介質。他試圖以此解決泊松提出的困難。1845年，斯托克斯以石蠟、瀝青和膠質進行類比，試圖說明有些物質既硬得可以傳播橫向振動又可以壓縮和延展——因此不會影響天體運動。 1887年，英國物理學家麥克爾遜與化學家莫雷以“以太漂流”實驗否定了以太的存在。但此後仍不乏科學家堅持對以太的研究。甚至在法拉第的光的電磁說、麥克斯韋的光的電磁說提出以後，還有許多科學家潛心致力於對以太的研究。 十九世紀中後期，在光的波動說與微粒說的論戰中，波動說已經取得了決定性勝利。但人們在為光波尋找載體時所遇到的困難，卻預示了波動說所面臨的危機。 1887年，德國科學家赫茲發現光電效應，光的粒子性再一次被證明！ 二十世紀初，普朗克和愛因斯坦提出了光的量子學說。1921年，愛因斯坦因為“光的波粒二象性”這一成就而獲得了諾貝爾物理學獎。 1921年，康普頓在試驗中證明了X射線的粒子性。1927年，傑默爾和後來的喬治·湯姆森在試驗中證明了電子束具有波的性質。同時人們也證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線具有波的性質。 在新的事實與理論面前，光的波動說與微粒說之爭以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。 光的波動說與微粒說之爭從十七世紀初笛卡兒提出的兩點假說開始，至二十世紀初以光的波粒二象性告終，前後共經歷了三百多年的時間。牛頓、惠更斯、托馬斯．楊、菲涅耳等多位著名的科學家成為這一論戰雙方的主辯手。正是他們的努力揭開了遮蓋在“光的本質”外面那層撲朔迷離的面紗。 經過三個世紀的研究，我們得出了光具有波粒二象性的結論，然而隨著科學的不斷向前發展，在光的本性問題上是否還會有新的觀點、新的論據出現呢？波粒二象性真的是最後結果嗎？群星璀璨的科學史上，不斷有新星劃破長空，不斷有陳星殞墜塵埃，到底哪一顆是恆星、