對于光本質(zhì)的認識的爭論

1、對于光本質(zhì)的認識的爭論人們對于光本質(zhì)的認識，源于一個古老的問題“光究竟是什么？”。歷史上很多學者對這一問題進行過探索，十七世紀以來，隨著伽利略近代物理學研究方法的確立，有關光學研究的各種實驗開始涌現(xiàn)，過去零零散散的光學理論得以相互整合，于是對于光本質(zhì)的認識成為光學理論發(fā)展過程中需要首先解決的問題。17世紀以來關于光的本質(zhì)的認識的大爭論，總共包括了四次波動學說與微粒學說的交鋒，其中包括以牛頓為代表的微粒說與以惠更斯為代表的波動說的交鋒。牛

2、頓不僅擅長數(shù)學計算，而且能夠動手制造各種設備和從事精細實驗色散實驗，1672年，牛頓發(fā)表了《關于光和顏色的理論》提出了光的微粒說，認為光是由微粒形成的，并且走的是最快速的直線運動路徑，認為光的復合和分解是不同顏色微?；旌显谝黄鹩斜环珠_一樣。而惠更斯是著名的天文學家，物理學家和數(shù)學家，繼承并完善了胡克的觀點，對光的本性問題與牛頓的分歧激發(fā)了他對物理光學的熱情，重復牛頓的光學實驗，仔細研究了牛頓的實驗和格里馬第的實驗，認為其中有很多現(xiàn)象都是

3、微粒說所無法解釋的，并認為：光是一種機械波；光是靠一種物質(zhì)載體來傳播的縱波，傳播它的物質(zhì)的載體是“以太”；波面上的各點本身就是引起媒質(zhì)振動的波源。1678年，惠更斯在法國科學院的一次演講中，公開反對了牛頓的光的微粒說，他指出，如果光是微粒性的，那么光在交叉時就會因發(fā)生碰撞而改變方向，但當時并沒有發(fā)生這種現(xiàn)象；而且用微粒說解釋折射現(xiàn)象，得到的結(jié)果與實驗相矛盾。此后于1690年出版《光論》，正式提出了波動說，建立了惠更斯原理。而牛頓反對惠更

4、斯的理由是：如果光是一種波，它應該同聲波一樣可以繞過障礙物，不會產(chǎn)生影子；冰洲石的雙折射現(xiàn)象說明光在不同的邊上有不同的性質(zhì)，而波動說無法解釋其原因。牛頓和惠更斯關于光的本質(zhì)的認識之所以會各持己見，從自然辯證法的角度出發(fā)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，科學知識的構成不同?？茖W認識過程的成果是科學事實，科學定律，科學假說以及由邏輯推理和實驗檢驗而建立起來的科學理論。科學事實是科學認識的主體關于客觀存在的，個別的事物（事件、現(xiàn)象、過程、關系等

5、）的真實描述或判斷，科學事實是科學認識的最初成果，屬于認識論的范疇，其內(nèi)容是客觀的，形式是主觀的，是主觀和客觀的統(tǒng)一?？茖W定律是反映自然界事物，現(xiàn)象之間的必然關系的科學命題。科學假說是根據(jù)已有的科學知識和新的科學事實，對所研究的問題作出的猜測性說明和嘗試性的解答，科學假說是科學思維走到一定程度的一種形式，基本要素包括：事實基礎，背景理論，對現(xiàn)象規(guī)律的猜測，推導出的預言和預見。牛頓從光的色散實驗出發(fā)，認為光是不同顏色微粒的混合與分開，而惠

6、更斯從光的折射現(xiàn)象出發(fā)，認為光具有波動性，二人看待問題的角度不同，分析問題的起點也不同，牛頓和惠更斯提出的科學事實具有客觀性，是無法否認的，根據(jù)科學事實提出的科學假說經(jīng)受了許多實驗的檢驗，二者各有其理論成立的緣由，因此在一定程度，在不同時期內(nèi)均可以得到同行不同程度的認可，于是導致牛頓和惠更斯對各自的理論各持一端。其次，從辯證法的對立統(tǒng)一觀點來看，牛頓和惠更斯都沒有看到微粒說與波動說的統(tǒng)一性，沒有利用辯證法的方法論研究光的本質(zhì)問題。任何事

7、物都是對立和統(tǒng)一的結(jié)合體，對立和統(tǒng)一是矛盾雙方所固有的兩種屬性，對立性表現(xiàn)為對立面之間具有相互排斥，相互否定的性質(zhì)，統(tǒng)一性表現(xiàn)為對立面之間具有這一點的菲涅耳立即用這一假設解釋了偏振現(xiàn)象，證明了光的橫波特性，使得光的波動說進入一個新的時期。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，但人們在尋找以太的過程中遇到了許多困難，于是各種假說紛紛提出。菲涅耳在研究以太時發(fā)現(xiàn)，橫向波的介質(zhì)應該是一種類固體，而以太如果是一種

8、固體它又怎么能不干擾天體的自由運轉(zhuǎn)呢。不久以后法國科學家泊松也發(fā)現(xiàn)了一個問題：如果以太是一種類固體，在光的橫向振動中必然要有縱向振動，這與新的光波學說相矛盾。為了解決各種問題，1839年法國數(shù)學家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(zhì)，試圖以此解決泊松提出的困難。英國物理學家麥克斯韋通過對電磁現(xiàn)象的研究，建立了電磁學，并將光和電磁現(xiàn)象統(tǒng)一起來，認為光就是一定頻率范圍內(nèi)的電磁波，從而確立了波動說的地位。這種理論預見后來

9、得到了實驗的證實。1873年，麥克斯韋完成巨著《電磁學通論》，這是一部可以同牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》相媲美的書，具有劃時代的意義。1887年，德國科學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在，也證實了光其實是電磁波的一種，兩者具有共同的波的特性。赫茲在實驗中同時也證實了光電效應，即在光的照射下物體會釋放出電子，這一發(fā)現(xiàn)，后來成了愛因斯坦建立光量子理論的基礎。德國物理學家普朗克早期從事熱力學的研究，他的博士論文就是《論熱力學的第二定律》。190

10、0年，普朗克為了克服經(jīng)典物理學對黑體輻射現(xiàn)象解釋上的困難，創(chuàng)立了物質(zhì)輻射（或吸收）的能量只能是某一最小能量單位（能量量子）的整數(shù)倍的假說，即量子假說。他引進了一個物理普適常數(shù)，即普朗克常數(shù)，以符號h表示，其數(shù)值為6.6261761027爾格秒，是微觀現(xiàn)象量子特性的表征。他從理論上導出了黑體輻射的能量按波長（或頻率）分布的公式，稱為普朗克公式。量子假說的提出對現(xiàn)代物理學，特別是量子論的發(fā)展起了重大的作用。普朗克在做了大量的實驗后又提出了電

11、磁波這種形式的能量輻射，使人們認識到電磁波是某種粒子，既光量子。為了強調(diào)光的粒子屬性，光量子被稱之為“光子”。光子的質(zhì)量在運動中顯示出來。但電磁學存在著巨大缺陷，按照麥克斯韋理論，真空中電磁波的速度（光速）應該是一個恒量，然而根據(jù)經(jīng)典力學對光速的解釋，不同慣性系中的光速不同。光速究竟是否應該遵從相對性原理？電磁學對光速的解釋與經(jīng)典力學在相對性原理上相互之間產(chǎn)生了巨大的矛盾，而正是這一矛盾，導致了人類歷史上最偉大的科學家——愛因斯坦的出現(xiàn)

12、。德國科學家愛因斯坦堅信宇宙中一切物理現(xiàn)象的背后都蘊藏著完整的統(tǒng)一性，因此，麥克斯韋的電磁學理論必須要與經(jīng)典力學統(tǒng)一起來。愛因斯坦為了解決這一矛盾，做出了一個假設：假設有個人能夠達到光的速度，與光并肩齊行，那么他就會發(fā)現(xiàn)靜止的光。但是，根據(jù)麥克斯韋的電磁學原理，振動的電磁波是不可能觀測到的，而且波也不可能處于靜止狀態(tài)，也就是說，宇宙中不可能存在光在靜止狀態(tài)的參照系，對于任何一個參照系來說，都只有屬于這個參照系的時間與空間。因此，愛因斯坦

13、確信，光在所有參照系中速度必然相同。根據(jù)這一物理法則，愛因斯坦進行了多年的探索和研究，1905年創(chuàng)立了狹義相對論，揭示了時間和空間的本質(zhì)聯(lián)系，引起了物理學基本概念的重大變革，開創(chuàng)了物理學的新世紀；提出了光量子論，解釋了光電現(xiàn)象，揭示了微觀客體的波粒二重性，用分子運動論解決布朗運動問題；發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能之間的相當性，在理論上為原子能的釋放和應用開辟道路。愛因斯坦的相對論與麥克斯韋的電磁學理論完美地結(jié)合在一起，從而推動了物理學上的一次意義深遠的重