第二节 光的波粒二象性

光的本质——波动说与微粒说的交锋

　　十七世纪初，在天文学和解剖学等相关学科的推动下，并伴随着光学仪器的发明和制造，光学——这一曾经神秘的领域也被卓越的科学探秘者开拓出了一块醒目的空间．到十七世纪末，光学已经成为了物理学的一个重要分支，是物理学中应用最为广泛的一个部门．

　　其中，几何光学的发展最为迅速，由荷兰数学家斯涅尔发现的准确的折射定律对于光学仪器的改进具有首要意义，并为研究整个光学系统提供了计算的可能．随着几何光学的发展，物理光学的研究也开始起步．在人们对物理光学的研究过程中，光的本性问题和光的颜色问题成为焦点．关于光的本性问题，笛卡儿在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中提出了两种假说．一种假说认为，光是类似于微粒的一种物质；另一种假说认为光是一种以“以太”为媒质的压力．虽然笛卡儿更强调媒介对光的影响和作用，但他的这两种假说已经为后来的微粒说和波动说的争论埋下了伏笔．

　　（一）胡克与牛顿的交锋

　　十七世纪中期，物理光学有了进一步的发展．1655年，意大利波仑亚大学的数学教授格里马第在观测放在光束中的小棍子的影子时，首先发现了光的衍射现象．据此他推想光可能是与水波类似的一种流体．

　　格里马第设计了一个实验：让一束光穿过一个小孔，让这束光穿过小孔后照到暗室里的一个屏幕上．他发现光线通过小孔后的光影明显变宽了．格里马第进行了进一步的实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，这时得到了有明暗条纹的图像．他认为这种现象与水波十分相像，从而得出结论：光是一种能够作波浪式运动的流体，光的不同颜色是波动频率不同的结果．格里马第第一个提出了“光的衍射”这一概念，是光的波动学说最早的倡导者．格里马第1663年逝世，他的重要发现在1665年出版的书中进行了描述．

　　1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果．他第一次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹．这一发现与格里马第的说法有不谋而合之处，为后来的研究奠定了基础．

　　不久后，英国物理学家胡克重复了格里马第的试验，并通过对肥皂泡膜的颜色的观察提出了“光是以太的一种纵向波”的假说．根据这一假说，胡克也认为光的颜色是由其频率决定的．

　　然而1672年，伟大的牛顿在他的论文《关于光和色的新理论》中谈到了他所作的光的色散实验：让太阳光通过一个小孔后照在暗室里的棱镜上，在对面的墙壁上会得到一个彩色光谱．他认为，光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样．在这篇论文里他用微粒说阐述了光的颜色理论．

　　第一次波动说与粒子说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了．从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论．

　　1672年2月6日，以胡克为主席，由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文《关于光和色的新理论》基本上持以否定的态度．

　　牛顿开始并没有完全否定波动说，也不是微粒说偏执的支持者．但在争论展开以后，牛顿在很多论文中对胡克的波动说进行了反驳．

　　1675年12月9日，牛顿在《说明在我的几篇论文中所谈到的光的性质的一个假说》一文中，再次反驳了胡克的波动说，重申了他的微粒说．

　　由于此时的牛顿和胡克都没有形成完整的理论，因此波动说和微粒说之间的论战并没有全面展开．但科学上的争论就是这样，一旦产生便要寻个水落石出．旧的问题还没有解决，新的争论已在酝酿之中了．

　　（二）牛顿与惠更斯的交锋

　　波动说的支持者，荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯继承并完善了胡克的观点．惠更斯早年在天文学、物理学和技术科学等领域做出了重要贡献，并系统的对几何光学进行过研究．1666年，惠更斯应邀来到巴黎科学院以后，并开始了对物理光学的研究．在他担任院士期间，惠更斯曾去英国旅行,并在剑桥会见了牛顿．二人彼此十分欣赏，而且交流了对光的本性的看法，但此时惠更斯的观点更倾向于波动说，因此他和牛顿之间产生了分歧．正是这种分歧激发了惠更斯对物理光学的强烈热情．回到巴黎之后，惠更斯重复了牛顿的光学试验．他仔细的研究了牛顿的光学试验和格里马第实验，认为其中有很多现象都是微粒说所无法解释的．因此，他提出了波动学说比较完整的理论．

　　惠更斯认为，光是一种机械波；光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它的物质载体是“以太”；波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源．根据这一理论，惠更斯证明了光的反射定律和折射定律，也比较好的解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿环”实验．

　　如果说这些理论不易理解，惠更斯又举出了一个生活中的例子来反驳微粒说．如果光是由粒子组成的，那幺在光的传播过程中各粒子必然互相碰撞，这样一定会导致光的传播方向的改变．而事实并非如此．

　　1678年，惠更斯向巴黎科学院提交了他的光学论着《光论》．在《光论》一书中，他系统的阐述了光的波动理论．同年，惠更斯发表了反对微粒说的演说． 1690年，《光论》出版发行．

　　就在惠更斯积极的宣传波动学说的同时，牛顿的微粒学说也逐步的建立起来了．牛顿修改和完善了他的光学著作《光学》．基于各类实验，在《光学》一书中，牛顿一方面提出了两点反驳惠更斯的理由：第一，光如果是一种波，它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会产生影子；第二，冰洲石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质，波动说无法解释其原因．另一方面，牛顿把他的物质微粒观推广到了整个自然界，并与他的质点力学体系融为一体，为微粒说找到了坚强的后盾．

　　为不与胡克再次发生争执，胡克去世后的第二年（1704年）《光学》才正式公开发行．但此时的惠更斯与胡克已相继去世，波动说一方无人应战．而牛顿由于其对科学界所做出的巨大的贡献，成为了当时无人能及一代科学巨匠．随着牛顿声望的提高，人们对他的理论顶礼膜拜，重复他的实验，并坚信与他相同的结论．整个十八世纪，几乎无人向微粒说挑战，也很少再有人对光的本性作进一步的研究．

　　这是否意味着波动说永久的沉默呢？

　　（三）波动说的胜利充满危机

　　十八世纪末，在德国自然哲学思潮的影响下，人们的思想逐渐解放．英国著名物理学家托马斯·杨开始对牛顿的光学理论产生了怀疑．根据一些实验事实，杨氏于1800年写成了论文《关于光和声的实验和问题》．在这篇论文中，杨氏把光和声进行类比，因为二者在重迭后都有加强或减弱的现象，他认为光是在以太流中传播的弹性振动，并指出光是以纵波形式传播的．他同时指出光的不同颜色和声的不同频率是相似的．在经过百年的沉默之后，波动学说终于重新发出了它的呐喊；光学界沉闷的空气再度活跃起来．

　　1801年，杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验．实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波．

　　同年，杨氏在英国皇家学会的《哲学会刊》上发表论文，分别对“牛顿环”实验和自己的实验进行解释，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律．

　　1803年，杨氏写成了论文《物理光学的实验和计算》．他根据光的干涉定律对光的衍射现象作了进一步的解释，认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的．虽然这种解释不完全正确，但它在波动学说的发展史上有着重要意义． 1804年，这篇论文在《哲学会刊》上发表．

　　1807年，杨氏把他的这些实验和理论综合编入了《自然哲学讲义》．但由于他认为光是一种纵波，所以在理论上遇到了很多麻烦．他的理论受到了英国政治家布鲁厄姆的尖刻的批评，被称作是“不合逻辑的”、“荒谬的”、“毫无价值的”．

　　虽然杨氏的理论以及后来的辩驳都没有得到足够的重视、甚至遭人毁谤，但他的理论激起了牛顿学派对光学研究的兴趣．

　　1808年，拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说．

　　1809年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象．在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振的．因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证据．

　　1811年，布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律．

　　光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展．

　　面对这种情况，杨氏对光学再次进行了深入的研究，1817年，他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法，提出了光是一种横波的假说，比较成功的解释了光的偏振现象．吸收了一些牛顿派的看法之后，他又建立了新的波动说理论．杨氏把他的新看法写信告诉了牛顿派的阿拉戈．

　　1817年，巴黎科学院悬赏征求关于光的干涉的最佳论文．土木工程师菲涅耳也卷入了波动说与微粒说之间的纷争．在1815年菲涅耳就试图复兴惠更斯的波动说，但他与杨氏没有联系，当时还不知道杨氏关于衍射的论文，他在自己的论文中提出是各种波的互相干涉使合成波具有显着的强度．事实上他的理论与杨氏的理论正好相反．后来阿拉戈告诉了他杨氏新提出的关于光是一种横波的理论，从此菲涅耳以杨氏理论为基础开始了他的研究．1819年，菲涅耳成功的完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验，继杨氏干涉实验之后再次证明了光的波动说．阿拉戈与菲涅耳共同研究一段时间之后，转向了波动说．1819年底，在非涅耳对光的传播方向进行定性实验之后，他与阿拉戈一道建立了光波的横向传播理论．

　　1882年，德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象．在他之后，德国另一位物理学家施维尔德根据新的光波学说，对光通过光栅后的衍射现象进行了成功的解释．

　　至此，新的波动学说牢固的建立起来了．微粒说开始转向劣势．

　　（四）新的理论

　　随着光的波动学说的建立，人们开始为光波寻找载体，以太说又重新活跃起来．一些著名的科学家成为了以太说的代表人物．但人们在寻找以太的过程中遇到了许多困难，于是各种假说纷纷提出，以太成为了十九世纪的众焦点之一．

　　菲涅耳在研究以太时发现的问题是，横向波的介质应该是一种类固体，而以太如果是一种固体，它又怎幺能不干扰天体的自由运转呢．不久以后泊松也发现了一个问题：如果以太是一种类固体，在光的横向振动中必然要有纵向振动，这与新的光波学说相矛盾．

　　为了解决各种问题，1839年柯西提出了第三种以太说，认为以太是一种消极的可压缩性的介质．他试图以此解决泊松提出的困难．1845年，斯托克斯以石蜡、沥青和胶质进行类比，试图说明有些物质既硬得可以传播横向振动又可以压缩和延展——因此不会影响天体运动．

　　1887年，英国物理学家麦克尔逊与化学家莫雷以“以太漂流”实验否定了以太的存在．但此后仍不乏科学家坚持对以太的研究．甚至在法拉第的光的电磁说、麦克斯韦的光的电磁说提出以后，还有许多科学家潜心致力于对以太的研究．

　　十九世纪中后期，在光的波动说与微粒说的论战中，波动说已经取得了决定性胜利．但人们在为光波寻找载体时所遇到的困难，却预示了波动说所面临的危机．

　　1887年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再一次被证明！

　　二十世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子学说．1921年，爱因斯坦因为"光的波粒二象性"这一成就而获得了诺贝尔物理学奖．

　　1921年，康普顿在试验中证明了X射线的粒子性．1927年，杰默尔和后来的乔治·汤姆森在试验中证明了电子束具有波的性质．同时人们也证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线具有波的性质．

　　在新的事实与理论面前，光的波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕．

　　光的波动说与微粒说之争从十七世纪初笛卡儿提出的两点假说开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间．牛顿、惠更斯、托马斯．杨、菲涅耳等多位著名的科学家成为这一论战双方的主辩手．正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱．

　　经过三个世纪的研究，我们得出了光具有波粒二象性的结论，然而随着科学的不断向前发展，在光的本性问题上是否还会有新的观点、新的论据出现呢？波粒二象性真的是最后结果吗？群星璀璨的科学史上，不断有新星划破长空，不断有陈星殒坠尘埃，到底哪一颗是恒星、哪一颗是流星呢？

皇家学会的双眼和双手——胡克

　　罗伯特．胡克（Hooke Robert 1635-1703）是17世纪英国最杰出的科学家之一．他在力学、光学、天文学等诸多方面都有重大成就．他所设计和发明的科学仪器在当时是无与伦比的．他本人被誉为是英国皇家学会的“双眼和双手”．

胡克生平

　　胡克1635年7月18日出生于英格兰南部威特岛的弗雷施瓦特．父亲是当地的教区牧师．胡克从小体弱多病，性格怪僻，不能按时上学．但他心灵手巧，喜欢动手做机械方面的玩具．例如，木制的钟表，能在水中开动的航模等．十岁时，胡克对机械学发生了强烈的兴趣，并为日后在实验物理学方面的发展打下了良好的基础．1648年，胡克的父亲逝世后，家道中落．十三岁的胡克被送到伦敦一个油画匠家里当学徒，后来作过教堂唱诗班的领唱，还当过富豪的待从．

　　在威斯特敏斯特学校校长的热心帮助下，胡克修完了中学课程．几乎在一个星期里，他贪婪地读完了欧几里德的《几何原本》前六卷，并马上把数学知识应用到机械设计中去．胡克做了十二种机械结构和三十种飞行方法的设计．1653年，胡克进入牛津大学里奥尔学院学习．在这里，他结识了一些颇有才华的科学界人士．这些人后来大都成为英国皇家学会的骨干．此时的胡克热心于参加医生和学者活动小组，并且显露出独特的实验才能．1655年，胡克被推荐给玻意耳当助手，在玻意耳的实验室工作．

　　1663年，胡克获得了文学硕士学位，并且被选为皇家学会会员．1665年，胡克担任格列夏姆学院几何学、地质学教授，并从事天文观测工作．1666年伦敦大火后，他担任测量员以及伦敦市政检查官，参加了伦敦重建工作．

　　1676年，胡克发表了著名的弹性定律．1677年至1683年就任英国皇家学会秘书并负责出版会刊．早在1663年，胡克就起草了皇家学会章程草案，规定学会的宗旨是“靠实验来改进有关自然界诸事物的知识，以及一切有关的艺术、制造、实用机械、发动机和新发明（不牵涉神学、形而上学、道德、政治、语法修辞或逻辑）”．胡克作为该学会的实验工作与日常事务操办人，在长达20多年的学会活动中，接触并深入到当时自然科学活跃的前沿领域，且均做出了自己的贡献．1703年3月3日，胡克逝世于伦敦，终年68岁．

力学方面的探索与发现

　　胡克在力学方面贡献尤为卓著．他从1661年开始积极参加了皇家学会研究重力本质的专门委员会的活动．为了确定物体重力与地心距离的关系，他用一架精密天平放在威斯特敏斯特教堂的塔尖上，称量一块铁和一段很长的绳子的重量，然后将这块铁挂在绳子的末端再称，看是否因为铁块十分接近地面而改变重量，结果并无测出明显的改变．后来他又在旧圣保罗教堂重作了这一实验．1674年，胡克发表了《从观察角度证明地球周年运动的尝试》的论文，文中根据修正的惯性原理，从行星受力平衡观点出发，提出了行星运动的三条假设：

　　1．一切天体都具有倾向其中心的吸引作用或重力，它不仅吸引其本身各部分，并且还吸引其作用范围内的其它天体；

　　2．每一物体都保持平直、简单的运动而且继续沿直线前进，直到受到其它作用力影响，因而改变为圆、椭圆或其它曲线运动为止；

　　3．受到吸引力作用的物体，越靠近吸引中心，其吸引力也越大．

　　胡克在1679年给牛顿的信中正式提出了引力与距离平方成反比的观点，但他并没有将自己的引力思想如牛顿所作的那样用数学式子表示出来，并用太阳、地球、月亮、行星和地球上物体的运动实例来加以验证．因此，把发现万有引力定律的殊荣让给了牛顿，但胡克的某些想法对牛顿完成万有引力的研究是起着积极的启示作用的．

　　弹性定律是胡克最重要的发现之一，也是力学最重要基本定律之一．在现代，仍然是物理学的重要基本理论．胡克的弹性定律指出：在弹性限度内，弹簧的弹力f和弹簧的长度x成正比，即 ． 是物质的弹性系数，它由材料的性质所决定，负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长（或压缩）的方向相反．为了证实这一定律，胡克还做了大量实验，制作了各种材料构成的各种形状的弹性体．他还进一步把弹性应用于实际问题．在宣布弹性定律的同时还进行了简谐运动的最早分析，证明了弹簧振动是等时的．由此，他把弹簧应用于钟表制造，取得了巨大成功．

　　

光学及其它方面的贡献

　　胡克还对光学问题进行过研究，也取得了杰出的成绩．胡克是光的波动学说的忠实支持者，他认为光的传播与水波的传播相似，并进一步提出了光波是横波的概念．他还研究过光的干涉现象．他观察和研究了肥皂水形成的薄膜和云母片的颜色，发现它们的颜色跟薄膜的厚度和云母的厚度有关，他说“当光落在一个透明薄膜上时，薄膜的前后两表面都要发生反射，从而共同产生薄膜颜色的效应”．

　　1665年，胡克发表了《显微图集》一书，这是在他全部成就中最重要的一部著作，也是欧洲17世纪最主要的科学文献之一．他开始应用显微镜于生物研究，他将蜜蜂的刺、苍蝇的脚、鸟的羽毛、鱼鳞片以及跳蚤、蜘蛛、草麻等，用显微镜详细地予以考察比较．他观察到软木塞等物品的结缔组织，并使用“细孔”和“细胞”来说明，“细胞”（“cell”）一词从此被生物界直接采用．胡克的这一发现，引起了人们对细胞学的研究．现在知道，一切生物都是由无数的细胞所组成的．胡克对细胞学的发展作出了极大的贡献．

　　胡克通过皇家学会还进行了许多有关化学燃烧理论、呼吸、地质、地震、海洋等方面的研究．他认为燃烧和人的呼吸相似．缺乏空气，灯会熄灭；用风箱将新鲜空气有规则地注入开有小孔的狗的肺部，还能使小狗的心脏维持跳动一个多小时，说明呼吸的作用是给动物供给新鲜空气．胡克在《地震讲义》和《关于地面经常发现贝壳和共它海栖动物残骸的原因》等论着中，强烈反对圣经中的神创论．他提出了地貌变化的思想，并且认为由于地貌变化引起了生物的变化，化石则是古动物的残骸，是地球演变史中的“纪念碑”，人们可以根据这些化石，认识地球的历史．胡克在进化论出现以前提出这些观点是可贵的．

　　卓越的仪器制造家

　　胡克在仪器的制造和改进方面的特长，早在其作为玻意耳的助手时就显露出来．他协助玻意耳三次改进了真空泵．第三次改进后的抽气机已具有现代真空泵的雏形，其动力是靠司泵人用脚踏滑轮两边活塞上的蹬板来提供的．利用这一设备，玻意耳和胡克完成了气体的玻意耳定律实验．胡克改进的仪器有复式显微镜和用指针读数的轮式气压计等．他还建议用液体的凝固点及膨胀或收缩程度来作为温标刻度的根据．胡克曾经设计过一架大型的“气候钟”，用以测量和记录风力、风向、温度、压强、和湿度、降雨量等．在望远镜上他增加了目镜的叉丝、调节螺旋和光阑等．他在实验方面的创造性才能，对皇家学会初期开展的实验为基础的研究做出了巨大的贡献，被称为"皇家学会的台柱"．由于胡克和玻意耳对皇家学会起着积极的作用，因而人们称颂他们：“如果说玻意耳是皇家学会幕后的灵魂，那幺胡克提供学会的就是双眼和双手了．”

　　科学研究上的缺憾

　　胡克热爱科学事业，并为此奉献了一生．他研究的面十分广泛，如建筑、化石、气象等，他都有所涉猎和贡献．但作为科学家的素养，胡克还缺少熟练雄厚的数学与逻辑推理功力作为进行研究和思维的武器，这样便不容易从理论和实践的结合上透彻地分析与解决问题．这也是胡克与牛顿、惠更斯相比的逊色之处．

三、原子物理学家——康普顿

　　首先成功完成核反应器链反应的费米认为身材高大与相貌俊美的人与智力成反比，但他承认康普顿是例外．在康普顿一生事业中，很早就展现无比的智力．在1919他从普林斯顿大学获得物理学博士后不久，他到英国剑桥大学事师卢瑟福以探讨散射伽马射线的性质．到了1920年代初期，他在圣路易的华盛顿大学继续同样的研究，惟不用伽马射线，而以x射线作为研究对象．

　　他发现x射线经由石墨散射会降低能量．他假说x射线的行为像粒子（即光子），与石墨起碰撞后转移其能量给石墨的电子．如将x射线视为波的一种，则此现象无法发生．例如声音的波长(间距)从物体的表面反射时并不会改变．这种实验证明电磁辐射具有粒子与波的性质，终于使他荣获1927年诺贝尔物理奖．他的研究又转向宇宙射线的探讨．在全球数千不同位置度量结果显示，宇宙射线的强度受到地球磁场强度的影响，也提供确证，宇宙射线含有带电粒子．在第二次世界大战爆发初期，由于其声望高而被邀出面领导冶金实验室．此属于芝加哥大学的实验室曾协助引导美国科学界的力量致力于发展原子弹．