自從1789年法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫（Lavoisier）定義了原子一詞后，人類(lèi)一直在努力探索它結(jié)構(gòu)的秘密。所有人都在好奇著，這種單一的粒子是怎么組成了世間萬(wàn)物？原子實(shí)在是太小了，以至于人類(lèi)永遠(yuǎn)沒(méi)有辦法真正看見(jiàn)它們，但是，無(wú)數(shù)科學(xué)家在這個(gè)問(wèn)題上前仆后繼著，用各種精巧的實(shí)驗(yàn)作為支撐，不斷揭開(kāi)了神秘原子的面紗。而其中最突出的，莫過(guò)于英國(guó)物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）。

光是什么？人類(lèi)對(duì)光的研究起源很早，但對(duì)光本質(zhì)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)較漫長(zhǎng)的過(guò)程。光究竟是波還是粒子？光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之爭(zhēng)從十七世紀(jì)初開(kāi)始，至二十世紀(jì)初以光的波粒二象性告終，前后共三百多年的時(shí)間。

英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家牛頓以極大的興趣和熱情對(duì)光學(xué)進(jìn)行研究。1666年，牛頓在家休假期間用三棱鏡進(jìn)行了著名的色散試驗(yàn)，由此發(fā)現(xiàn)了白光是由各種不同顏色的光組成的。公元1672年，牛頓把自己的研究成果發(fā)表在《皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)雜志》上。牛頓的分光試驗(yàn)使幾何光學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新的領(lǐng)域：物理光學(xué)。牛頓提出了光的“微粒說(shuō)”，認(rèn)為光是由微粒形成的，并且走的是最快速的直線運(yùn)動(dòng)路徑。

荷蘭物理學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯則發(fā)展了光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)，他在1690年發(fā)表的《光論》一書(shū)中闡述了他的光波動(dòng)原理，即惠更斯原理。他認(rèn)為每個(gè)發(fā)光體的微粒把脈沖傳給鄰近一種彌漫媒質(zhì)（“以太”）微粒，每個(gè)受激微粒都變成一個(gè)球形子波的中心。他從彈性碰撞理論出發(fā)，認(rèn)為這樣一群微粒雖然本身并不前進(jìn)，但能同時(shí)傳播向四面八方行進(jìn)的脈沖，因而光束彼此交叉而不相互影響，并在此基礎(chǔ)上用作圖法解釋了光的反射、折射等現(xiàn)象。惠更斯提出了光波面在媒體中傳播的惠更斯原理，打破了當(dāng)時(shí)流行的光的微粒學(xué)說(shuō)。

牛頓的“微粒說(shuō)”與惠更斯的“波動(dòng)說(shuō)”構(gòu)成了關(guān)于光的兩大基本理論，并由此而產(chǎn)生激烈的爭(zhēng)議和探討，科學(xué)家們就光是波動(dòng)還是微粒這一問(wèn)題展開(kāi)了一場(chǎng)曠日持久的拉鋸戰(zhàn)。因牛頓在學(xué)術(shù)界的權(quán)威和盛名，“微粒說(shuō)”一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。

楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊對(duì)牛頓的光學(xué)理論產(chǎn)生了懷疑，1801年，楊進(jìn)行了著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所使用的白屏上明暗相間的黑白條紋證明了光的干涉現(xiàn)象，從而證明了光是一種波。楊在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的《哲學(xué)會(huì)刊》上發(fā)表論文，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。他認(rèn)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，但在波動(dòng)學(xué)說(shuō)的發(fā)展史上有著重要意義。

1811年，蘇格蘭物理學(xué)家布儒斯特在研究光的偏振現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)定律。光的偏振現(xiàn)象和偏振定律的發(fā)現(xiàn)，使當(dāng)時(shí)的波動(dòng)說(shuō)陷入了困境，使物理光學(xué)的研究更朝向有利于微粒說(shuō)的方向發(fā)展。

1814年，德國(guó)天文學(xué)家夫瑯和費(fèi)意外地發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光譜中的一些重要現(xiàn)象，并在波動(dòng)學(xué)說(shuō)的基礎(chǔ)上導(dǎo)出了從衍射圖形求波長(zhǎng)的關(guān)系式。由此，新的波動(dòng)學(xué)說(shuō)建立起來(lái)了，微粒說(shuō)開(kāi)始轉(zhuǎn)向劣勢(shì)。

麥克斯韋方程組

1845年，關(guān)于電磁現(xiàn)象的三個(gè)最基本的實(shí)驗(yàn)定律：庫(kù)侖定律（1785年），安培—畢奧—薩伐爾定律（1820年），法拉第定律（1831-1845年）已被總結(jié)出來(lái)，法拉第的“電力線”和“磁力線”概念已發(fā)展成“電磁場(chǎng)概念”。

1855年至1865年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋在全面地審視了庫(kù)侖定律、安培—畢奧—薩伐爾定律和法拉第定律的基礎(chǔ)上，參照流體力學(xué)的模型，應(yīng)用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)形式總結(jié)了前人的工作，提出了位移電流的假說(shuō)，推廣了電流的涵義，將電磁場(chǎng)基本定律歸結(jié)為四個(gè)微分方程，這就是著名的麥克斯韋方程組，它含有的四個(gè)微分方程分別為：電荷是如何產(chǎn)生電場(chǎng)的高斯定理；論述了磁單極子的不存在的高斯磁定律；電流和變化的電場(chǎng)是怎樣產(chǎn)生磁場(chǎng)的麥克斯韋-安培定律，以及變化的磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生電場(chǎng)的法拉第電磁感應(yīng)定律。

此后，麥克斯韋進(jìn)一步將電場(chǎng)和磁場(chǎng)的所有規(guī)律綜合起來(lái)，并和洛倫茲力方程共同形成了經(jīng)典電磁學(xué)的完整組合。1873年，麥克斯韋完成巨著《電磁學(xué)通論》，這是一部可以同牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》相媲美的書(shū)，具有劃時(shí)代的意義。

麥克斯韋根據(jù)方程組得出結(jié)論，電磁波在真空中的傳播速度應(yīng)為3.11×108m/s，而當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光速為3.15×108m/s，兩個(gè)數(shù)值非常接近。麥克斯韋認(rèn)為這不是一種巧合，它表明光與電磁現(xiàn)象之間有本質(zhì)的聯(lián)系。由此他首次提出光在本質(zhì)上是一種電磁波，這就是光的電磁說(shuō)。

1887年，德國(guó)科學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，也證實(shí)了光其實(shí)是電磁波的一種，兩者都具有波的特性。赫茲在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)也證實(shí)了光電效應(yīng)，即在光的照射下物體會(huì)釋放出電子。

但電磁學(xué)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(yīng)該是一個(gè)恒量，然而根據(jù)經(jīng)典力學(xué)對(duì)光速的解釋?zhuān)煌瑧T性系中的光速不同。光速究竟是否應(yīng)該遵從相對(duì)性原理？電磁學(xué)對(duì)光速的解釋與經(jīng)典力學(xué)在相對(duì)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(dǎo)致了人類(lèi)歷史上最偉大的科學(xué)家——愛(ài)因斯坦的出現(xiàn)。

德國(guó)科學(xué)家愛(ài)因斯坦于1905年創(chuàng)立了狹義相對(duì)論，揭示了時(shí)間和空間的本質(zhì)聯(lián)系，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(yùn)動(dòng)論解決布朗運(yùn)動(dòng)問(wèn)題；發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能之間的相當(dāng)性，在理論上為原子能的釋放和應(yīng)用開(kāi)辟道路。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論與麥克斯韋的電磁學(xué)理論完美地結(jié)合在一起，從而推動(dòng)了物理學(xué)上的一次意義深遠(yuǎn)的重大革命。

此后三十年里，隨著量子力學(xué)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)證明了光的電磁學(xué)說(shuō)，爭(zhēng)論了三百年的光之謎題終于得到了解答，即光是一種電磁波，具有波粒二象性。跨世紀(jì)的爭(zhēng)論引出了量子力學(xué)的誕生，正是由于無(wú)數(shù)的科學(xué)家們孜孜不倦上下求索，人類(lèi)才得以慢慢解開(kāi)光的神秘面紗，并引發(fā)了20世紀(jì)人類(lèi)文明輝煌的飛躍。

 

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光之謎——上下求索三百年

圖文簡(jiǎn)介

光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之爭(zhēng)從十七世紀(jì)初開(kāi)始，至二十世紀(jì)初以光的波粒二象性告終，前后共三百多年的時(shí)間。