尹隆丞

【摘要】本文從牛頓時(shí)代對(duì)光的本質(zhì)的解釋出發(fā)，首先介紹了牛頓的微粒說(shuō)、惠更斯的波動(dòng)說(shuō)和麥克斯韋電磁說(shuō)，并指出這些學(xué)說(shuō)中與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不符的地方。最后介紹了光的波粒二象性和光的量子說(shuō)，盡管量子力學(xué)中對(duì)測(cè)量的本質(zhì)還有爭(zhēng)議，但由于光量子說(shuō)可以很好地解釋已知的所有光學(xué)現(xiàn)象，因此被物理學(xué)者廣泛接受。

【關(guān)鍵詞】微粒說(shuō) ?波動(dòng)說(shuō) ?電磁說(shuō) ?波粒二象性

【中圖分類號(hào)】G633.7 ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2019）27-0172-01

日光、燈光使得我們可以看見(jiàn)色彩斑斕的世界，高頻X光幫助我們?cè)\斷病情，低頻無(wú)線電波使得我們可以隨時(shí)隨地使用手機(jī)連接互聯(lián)網(wǎng)，無(wú)處不在的路由器發(fā)射的Wi-Fi信號(hào)也是低頻光波。從17世紀(jì)開(kāi)始人們就開(kāi)始了對(duì)光的研究，有關(guān)光最早的系統(tǒng)理論是牛頓的微粒說(shuō)，由于牛頓微粒說(shuō)存在的缺點(diǎn)，惠更斯提出了光的波動(dòng)說(shuō);后來(lái)又有麥克斯韋的電磁說(shuō)和愛(ài)因斯坦的光的粒子說(shuō)。最新的理論認(rèn)為光既是粒子也是波，也就是光有波粒二象性，但光何時(shí)表現(xiàn)粒子性、何時(shí)表現(xiàn)波動(dòng)性卻仍是困擾當(dāng)今科學(xué)界的一個(gè)問(wèn)題。

一、牛頓微粒說(shuō)和惠更斯的波動(dòng)說(shuō)

光充滿著整個(gè)世界，從南北極絢麗的極光到日常生活中隨處可見(jiàn)的白熾燈，到處都能看到光存在的痕跡。而有關(guān)光的學(xué)說(shuō)早在幾個(gè)世紀(jì)前就已經(jīng)開(kāi)始發(fā)展并延續(xù)至今，其中兩個(gè)最經(jīng)典的早期學(xué)說(shuō)分別是牛頓的微粒說(shuō)和惠更斯的波動(dòng)說(shuō)，這也是人類對(duì)光的本質(zhì)的探索邁出的第一步。

牛頓時(shí)代之前的人們已經(jīng)注意到了光的反射和折射以及光的顏色等現(xiàn)象，但那時(shí)人們把物體表面的顏色差別解釋為物體可以轉(zhuǎn)變白光。但牛頓從三棱鏡的分光實(shí)驗(yàn)中敏銳的察覺(jué)到日光本身就是由不同顏色的光組成的。牛頓觀察到光透過(guò)三棱鏡在屏上顯現(xiàn)出其中不同的顏色，然后在紅色光的后面又放了一個(gè)三棱鏡，發(fā)現(xiàn)紅色光還是紅色光。這就證明了三棱鏡并不能改變光的顏色。由此出發(fā)，牛頓提出了光的微粒說(shuō)[1]，認(rèn)為光是一種物質(zhì)，不同顏色的光就是不同的微粒，將它們混合到一起，就變成了其他的顏色。

微粒說(shuō)還可以解釋光的反射、折射等。牛頓認(rèn)為光微粒在介質(zhì)中會(huì)受到介質(zhì)施加的力，在同種介質(zhì)中各個(gè)方向受力均勻因而相互抵消，因此沿直線運(yùn)動(dòng);光微粒在兩種介質(zhì)交界處發(fā)生碰撞，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與小球和剛性界面發(fā)生彈性碰撞相同，因此光在反射時(shí)入射角等于反射角;牛頓又把介質(zhì)分為光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)，光微粒在光疏介質(zhì)中受力大于光密介質(zhì)，進(jìn)而解釋了光的折射定律，且按照牛頓的微粒說(shuō)，光在光密介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)速率大于光疏介質(zhì)。

盡管牛頓微粒說(shuō)可以解釋很多現(xiàn)象，但其也有非常致命的錯(cuò)誤，如其不能解釋光為何可以同時(shí)發(fā)生反射和折射，也不能解釋為何兩束光交叉卻不能發(fā)生碰撞。因?yàn)槲⒘Ｕf(shuō)存在的這些先天性缺陷，惠更斯提出光是一種波的概念，也就是光波動(dòng)說(shuō)。其核心思想是次光源的概念，也就是光在傳播中的波前上的每一點(diǎn)都是下一刻次級(jí)球面波的子波源，所有子波源的包絡(luò)面形成新的波前。惠更斯的波動(dòng)說(shuō)也可解釋光的直進(jìn)性和光的反射、折射等現(xiàn)象，但給出的結(jié)論是光在光密介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)速度大于在光疏介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)速度，這一觀點(diǎn)與牛頓完全相反?；莞沟牟▌?dòng)說(shuō)也有其不足之處，如它不能解釋光為何不能向后傳播，其次波動(dòng)說(shuō)依賴于傳播介質(zhì)，但沒(méi)有證據(jù)表明空間中存在供光傳播的介質(zhì)。

二、麥克斯韋電磁說(shuō)

楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光的干涉條紋，這使得光的波動(dòng)說(shuō)的地位更加穩(wěn)固。但既然光是一種波，人們卻對(duì)這種波動(dòng)的本質(zhì)一無(wú)所知。麥克斯韋證明了光是一種電磁波。

三、光的波粒二象性

光的電磁說(shuō)可以很好地解釋當(dāng)時(shí)已知的所有光學(xué)現(xiàn)象，但隨著實(shí)驗(yàn)物理的進(jìn)展，光的電磁說(shuō)在解釋黑體輻射光譜和光電效應(yīng)時(shí)卻遇到了極大困難。黑體是一個(gè)對(duì)全波段電磁波吸收率為1的理想物體，其發(fā)射光譜僅與黑體溫度有關(guān)，然而電磁理論卻不能解釋實(shí)驗(yàn)測(cè)得的黑體輻射光譜。普朗克提出了光在黑體中吸收和輻射時(shí)以量子化的形式存在，也就是光是一個(gè)一個(gè)的粒子，每個(gè)光子的能量為？捩？棕，其中？捩是約化普朗克常量，？棕是光的角頻率。普朗克通過(guò)光的量子化成功地得到了符合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的黑體輻射公式。光電效應(yīng)指的是當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)會(huì)激發(fā)出金屬中的電子從而形成光電流的現(xiàn)象，于1887年由赫茲發(fā)現(xiàn)。赫茲發(fā)現(xiàn)，某種金屬如果要產(chǎn)生光電效應(yīng)，其入射光的頻率必須大于某個(gè)頻率。這個(gè)現(xiàn)象與光的電磁波理論相違背，因?yàn)楣獾碾姶爬碚摫砻麟姶挪ǖ哪芰空扔谡穹?，只要振幅足夠大，光的能量總可以激發(fā)金屬中的電子產(chǎn)生光電效應(yīng)。對(duì)此，愛(ài)因斯坦進(jìn)一步提出，光在傳播過(guò)程中也是量子化的，從而解釋了光電效應(yīng)[2]。

光的波動(dòng)性和粒子性貌似是矛盾的[3]，這一點(diǎn)可以被光的量子性解決。量子力學(xué)中，光被表示為概率波？鬃（x，t），概率波的模平方？鬃（x，t）2是光子在t時(shí)刻出現(xiàn)在x點(diǎn)的概率，如果存在某種可能的測(cè)量，則光表現(xiàn)出粒子性，以概率？鬃（x，t）2出現(xiàn)在x點(diǎn)。光在傳播時(shí)以概率波的形式，而在觀測(cè)時(shí)表現(xiàn)出粒子特性。光的干涉是單個(gè)光子在不同路徑上的概率波的干涉，此時(shí)光表現(xiàn)出波動(dòng)性;光電效應(yīng)可以視為對(duì)光子的一種測(cè)量行為，因此光的量子說(shuō)可以同時(shí)解釋光的波動(dòng)性和粒子性。光的延遲選擇實(shí)驗(yàn)表明光并非在實(shí)驗(yàn)之前就已經(jīng)決定了要表現(xiàn)出波動(dòng)性還是粒子性，而是以概率波的形式彌漫在整個(gè)空間，也就是表現(xiàn)為量子特性。

結(jié)束語(yǔ)

從牛頓微粒說(shuō)與惠更斯波動(dòng)說(shuō)到光的量子性，這個(gè)探索的過(guò)程有著難以想象的困難，正是先賢們刻苦務(wù)實(shí)的鉆研精神與勇于質(zhì)疑的創(chuàng)新精神才填平了這道鴻溝。通過(guò)對(duì)光的本質(zhì)探究的基本學(xué)習(xí)，我深刻地體會(huì)到了其中的不易，也希望有機(jī)會(huì)在物理領(lǐng)域上做出自己的貢獻(xiàn)，延續(xù)先賢的精神與智慧。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱建廉.“微粒說(shuō)”對(duì)光的折射現(xiàn)象的解釋[J].物理通報(bào)，2008（10）：62-63.

[2]楊際青.愛(ài)因斯坦光電方程與光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)外推法[J].大學(xué)物理，2003（3）：27-29.

[3]黃志洵.波粒二象性理論的若干問(wèn)題[J].中國(guó)工程科學(xué)，2002（1）：54-63.