揭开光的神秘面纱

作者：尹传红

2015年02月06日 来源：中国科学报

　　孤傲的牛顿自然不会轻易认输。不过，为了避免那位一直跟他过不去的胡克的纠缠（后来这对互相敌视的“冤家”还为引力定律等争吵多年），他一度没有公开他的光学研究进展。1704年，即胡克去世的第二年，牛顿才出版了他的论著《光学》。

　　对于光的研究（光学）是物理学中最古老的一个分支。它一直也是拥有许多思想、观点的奇异对象。光的神秘面纱，历经多个世纪的研究才逐渐被揭开。

　　那是在1666年的英国，23岁的艾萨克·牛顿做了探讨光的本性的第一个重要实验。按照他本人的叙述，他购买了一块玻璃棱镜（用纯玻璃制成的三角棱体），“以此来试验颜色现象”。为此目的而“弄暗我的房间，并在我的护窗板上开一小孔，让适量的太阳光进入，我将我的棱镜放在阳光进入处，于是光会因此折射到对面墙上”。

　　牛顿观察到，那束折射到墙上的光不仅是变宽的光点，更是一条大家十分熟悉的彩虹顺序——红、橙、黄、绿、蓝、紫排列的彩色光带，其长度要比其宽度大许多倍。这些颜色色谱——从一端的红色排列到另一端的紫色，难道是由棱镜产生的吗？牛顿让这条“虹带”通过反向放置的第二个棱镜（用透镜来取代），以使这些色光重新结合，结果它们真的变成了白光（点）。

　　色散实验让牛顿一举成名，同时也促使他认真思考光的本质。1672年，在被选入英国皇家学会后，牛顿立即提交了他的研究成果——《关于光和颜色的理论》论文，并发表在《皇家学会哲学杂志》上，这是他第一次公开发表的论文。

　　在这篇论文中，牛顿提出了光的“微粒说”，认为光是由高速运动的细小粒子（“微粒”）组成的。这些微粒从光源发射，就像子弹从枪膛射出来一样。或者说，光是一束从发光体运动到眼睛的粒子流。这可以解释为什么光按直线前进，并能投下清晰的影子。

　　可是，这一学说却无法解释一些显而易见的事实。比如，为什么绿色的光比黄色的光折射得厉害？为什么两束光可以彼此交叉通过而互不干扰，即为什么组成光的粒子不会互相碰撞？

　　正因如此，光的微粒说甫一问世就遭到了激烈的反对。反对方手中一个有力的“杀手锏”，是意大利物理学家弗朗西斯科·格里马迪于1665年设计的一个实验：他让一束光通过两个前后排列的狭缝后，投射到暗室里的一个空白屏幕上，结果发现，呈现出的光带比进入第一道缝时的光束略微宽些。就此他认为，这束光在狭缝边缘向外有所弯曲，而且显然是光线绕过障碍的一种情况。他把这一现象称为“衍射”。

　　随后在进一步的实验中，格里马迪又得到了有明暗条纹的光影图像。他觉得这种现象与水波十分相像，并由此推断：光可能是一种能够做波浪式运动的流体，光的不同颜色可能是波动频率不同的结果。

　　格里马迪的“波动说”获得了英国著名物理学家罗伯特·胡克等人的支持，并被荷兰著名的数学家、物理学家克里斯蒂安·惠更斯所借鉴并加以发挥。惠更斯提出：光是一种机械振荡波，波面上的各点本身就是引起媒介物质振动的波源。1678年，惠更斯向法国皇家科学院提交了他的光学论著《光论》（蔡勖译，北京大学出版社）。此书系统地阐述了光的波动理论。

　　孤傲的牛顿自然不会轻易认输。不过，为了避免那位一直跟他过不去的胡克的纠缠（后来这对互相敌视的“冤家”还为引力定律等争吵多年），他一度没有公开他的光学研究进展。1704年，即胡克去世的第二年，牛顿才出版了他的论著《光学》（周岳明、舒幼生译，北京大学出版社）。书中他陈述了波动说的几种不足，如不能很好地解释光的直线传播现象和方解石的双折射现象，也没有什么证据表明波动说所依赖的介质的存在，等等。

　　进入19世纪后，由于光的干涉现象和偏振现象等的发现，使得微粒说与波动说之争又现波澜，但依旧是谁也不能“压倒”谁。

　　1864年，英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦提出了电磁波的概念和一个新的理论——“场论”，推测光就是以不同速度振荡的电荷所引起的辐射，光波只代表了可能产生的电磁波的极小部分。1879年，麦克斯韦还以4个简洁、优雅的方程，描述了已被观察到的与电、磁和光有关的现象，揭示了三者本质的统一性。

　　1886年，德国物理学家海因里希·赫兹用实验方法证实电磁波确实存在，并具有与光完全类似的特性。这为人类利用无线电波开辟了道路。此外，赫兹还首次描述了“光电效应”——金属表面在光辐照作用下发射电子的一类光变致电的现象。

　　1905年，德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在他发表的有关光电效应的论文中引入“光量子”（后称“光子”）概念，提出光的量子假说，认为光同时具有波动和粒子两种特性——所谓“波粒二象性”，这才真正化解了微粒说与波动说长达数百年的争执。这一理论成为量子力学发展中的一个里程碑，也为爱因斯坦赢得了1921年的诺贝尔物理学奖。