自從1789年法國化學家拉瓦錫（Lavoisier）定義了原子一詞后，人類一直在努力探索它結構的秘密。所有人都在好奇著，這種單一的粒子是怎么組成了世間萬物？原子實在是太小了，以至于人類永遠沒有辦法真正看見它們，但是，無數(shù)科學家在這個問題上前仆后繼著，用各種精巧的實驗作為支撐，不斷揭開了神秘原子的面紗。而其中最突出的，莫過于英國物理學家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）。

光是什么？人類對光的研究起源很早，但對光本質(zhì)的認識經(jīng)歷了一個較漫長的過程。光究竟是波還是粒子？光的波動說與微粒說之爭從十七世紀初開始，至二十世紀初以光的波粒二象性告終，前后共三百多年的時間。

英國物理學家、數(shù)學家和天文學家牛頓以極大的興趣和熱情對光學進行研究。1666年，牛頓在家休假期間用三棱鏡進行了著名的色散試驗，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《皇家學會哲學雜志》上。牛頓的分光試驗使幾何光學進入了一個新的領域：物理光學。牛頓提出了光的“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。

荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯則發(fā)展了光的波動學說，他在1690年發(fā)表的《光論》一書中闡述了他的光波動原理，即惠更斯原理。他認為每個發(fā)光體的微粒把脈沖傳給鄰近一種彌漫媒質(zhì)（“以太”）微粒，每個受激微粒都變成一個球形子波的中心。他從彈性碰撞理論出發(fā)，認為這樣一群微粒雖然本身并不前進，但能同時傳播向四面八方行進的脈沖，因而光束彼此交叉而不相互影響，并在此基礎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，打破了當時流行的光的微粒學說。

牛頓的“微粒說”與惠更斯的“波動說”構成了關于光的兩大基本理論，并由此而產(chǎn)生激烈的爭議和探討，科學家們就光是波動還是微粒這一問題展開了一場曠日持久的拉鋸戰(zhàn)。因牛頓在學術界的權威和盛名，“微粒說”一直占據(jù)著主導地位。

楊氏雙縫干涉實驗

英國物理學家托馬斯·楊對牛頓的光學理論產(chǎn)生了懷疑，1801年，楊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(xiàn)象，從而證明了光是一種波。楊在英國皇家學會的《哲學會刊》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，但在波動學說的發(fā)展史上有著重要意義。

1811年，蘇格蘭物理學家布儒斯特在研究光的偏振現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗定律。光的偏振現(xiàn)象和偏振定律的發(fā)現(xiàn)，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于微粒說的方向發(fā)展。

1814年，德國天文學家夫瑯和費意外地發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中的一些重要現(xiàn)象，并在波動學說的基礎上導出了從衍射圖形求波長的關系式。由此，新的波動學說建立起來了，微粒說開始轉向劣勢。

麥克斯韋方程組

1845年，關于電磁現(xiàn)象的三個最基本的實驗定律：庫侖定律（1785年），安培—畢奧—薩伐爾定律（1820年），法拉第定律（1831-1845年）已被總結出來，法拉第的“電力線”和“磁力線”概念已發(fā)展成“電磁場概念”。

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

此后，麥克斯韋進一步將電場和磁場的所有規(guī)律綜合起來，并和洛倫茲力方程共同形成了經(jīng)典電磁學的完整組合。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。

麥克斯韋根據(jù)方程組得出結論，電磁波在真空中的傳播速度應為3.11×108m/s，而當時實驗測得的光速為3.15×108m/s，兩個數(shù)值非常接近。麥克斯韋認為這不是一種巧合，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。

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，兩者都具有波的特性。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。

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)。

德國科學家愛因斯坦于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，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合在一起，從而推動了物理學上的一次意義深遠的重大革命。

此后三十年里，隨著量子力學的不斷發(fā)展，越來越多的實驗證明了光的電磁學說，爭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。跨世紀的爭論引出了量子力學的誕生，正是由于無數(shù)的科學家們孜孜不倦上下求索，人類才得以慢慢解開光的神秘面紗，并引發(fā)了20世紀人類文明輝煌的飛躍。

 

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光之謎——上下求索三百年

圖文簡介

光的波動說與微粒說之爭從十七世紀初開始，至二十世紀初以光的波粒二象性告終，前后共三百多年的時間。