二光的本質(zhì)之爭

1、第二十章 光的波動性（高中第三冊P.23）,光到底是什么？這個問題早就引起了人們的注意，不過在很長的時期內(nèi)對它的認識卻進展得很慢，直到17世紀才明確地形成了兩種學說：一種是牛頓主張的微粒說，認為光是從光源發(fā)出的一種物質(zhì)微粒，在均勻的介質(zhì)中以一定的速度傳播；另一種是波動說，是跟牛頓同時代的荷蘭物理學家惠更斯（1629-1695）提出的，認為光是在空間中傳播的某種波。,微粒說和波動說都能解釋一些淘現(xiàn)象，但又不能解釋當時觀察到的全部光

2、的現(xiàn)象。由于早期的波動說不能用數(shù)學作嚴格的表達和分析，再另上牛頓在物理學界的威望，微粒學一直占了上風。 到了19世紀初，人們在實驗中觀察到了光的十涉和衍射現(xiàn)象，這是波的特征，不能用微粒說解釋，因而證明了波動說的正確性。19世紀60年代，麥克斯韋預言了電磁波的存在，并認為光也是一種電磁波。以后，赫茲在實驗中證實了這種假說，這樣，光的電磁說使光的波動理論發(fā)展到相當完美的地步，取得了巨大的成功。,但是，19世紀末又發(fā)現(xiàn)了

3、新的現(xiàn)象——光電效應(yīng)，這種現(xiàn)象用波動說無法解釋。愛因斯坦于20世紀初提出了光子說，認為光具有粒子性，從而解釋了光電效應(yīng)。不過，這里所說的光子完全 不同于牛頓所說的“微?！?。 現(xiàn)在人們認識到，光既具有波動性，又具有粒子性。,思考題,1、光的微粒說與波動說各自的主要論點是什么？2、試述托馬斯·楊對光學的主要貢獻。3、菲涅耳對于干涉和衍射的研究有哪些特點？4、對于光的微粒性，愛因斯坦與牛頓的“微?！庇泻尾煌?。,

4、光的本質(zhì)之爭,古代對光的認識光的波動說與微粒說的交鋒光的波粒二象性,從古代起,人們就開始思考光的本性問題.最初的一些假說既幼稚又含混. 亞里士多德認為,光是從眼睛里發(fā)射出來的某種東西. 畢達哥拉斯學派則主張,光是由媒質(zhì)以太以某種方式傳播． 十七世紀中，主張波動說的主要有笛卡兒、格里馬第、惠更斯和胡克等人，主張微粒說的有牛頓，他們對光的波動說和微粒說進行了研究與發(fā)展．,,關(guān)于光的本質(zhì)問題，笛卡兒在他《方法論》的

5、三個附錄之一《折光學》中提出了兩種假說．一種假說認為，光是類似于微粒的一種物質(zhì)；另一種假說認為光是一種以“以太”為媒質(zhì)的壓力．雖然笛卡兒更強調(diào)媒介對光的影響和作用，但他的這兩種假說已經(jīng)為后來的微粒說和波動說的爭論埋下了伏筆．,格里馬第（Francesco Maria Grimaldi,1618-1663）最早明確提出光的波動說．他令百葉窗透過來一束光照在小棍上，得到較寬的帶色彩的影子，他稱之為“衍射”．由衍射現(xiàn)象格里馬第發(fā)現(xiàn)光線并不沿著

6、直線傳播，他設(shè)想，光是一種作波浪狀運動的精細流體，這種流體能以極大但有限的速度漫射，通過透明體；衍射現(xiàn)象中的色帶就如同一塊投入水中所形成的圓形波紋．由于是波浪式的流體，影子的邊緣就必然是模糊和有影像的；碰到障礙物時，就像水波一樣會繞過去．,1663年，英國科學家波義耳提出了物體的顏色不是物體本身的性質(zhì)，而是光照射在物體上產(chǎn)生的效果．他第一次記載了肥皂泡和玻璃球中的彩色條紋．這一發(fā)現(xiàn)與格里馬第的說法有不謀而合之處，為后來的研究奠定了基礎(chǔ),

7、在1665年出版的《顯微術(shù)》一書中，胡克注意到金剛石受到摩擦、打擊和加熱時在黑暗中會發(fā)光的現(xiàn)象，并以此為據(jù)認為，“光必定是一種振動”，并且是一種快速的小振幅的振動．在談到光的傳播形式時，胡克寫道：“在一種均勻媒質(zhì)中這一運動在各個方向都以相等的速度傳播．于是發(fā)光體的每一脈動和振動都必將形成一個球面，這個球面將不斷增大，如同投入水后引起越來越大環(huán)狀波一樣（盡管肯定要快得多）．由此可知，在均勻媒質(zhì)中擾動而成的球面的一切部分都與射線正交”．這實

8、際上已提出了波前或波面和媒質(zhì)各向同性的概念，并指出了光是由發(fā)光體的振動在媒質(zhì)中引起的一系列與射線成直角的球形脈沖的擴散．,,惠更斯在光學方面的最大貢獻是提出了光的波動說和惠更斯原理． 惠更斯認為，光是發(fā)光體中微小粒子的振動，在彌漫于宇宙空間的以太中傳播的波動過程．光波是一種靠物質(zhì)載體來傳播的縱向波，以太作為一種媒質(zhì)傳輸光脈沖，它是以極高和有限的速度傳播的．他設(shè)想傳輸光的以太粒子應(yīng)是極硬的和富于彈性的．以此，他解釋了從無數(shù)

9、不同方向來的光線又如何可以互不妨礙地交叉通過的和光的反射定律。,惠更斯從光是波動的傳播這一觀念出發(fā)，提出了著名的以他的名字命名的原理——惠更斯原理：“光波發(fā)射時，光在其中傳播的每一物質(zhì)粒子不只把運動傳給與原始粒子及光源在同一直線上的鄰近粒子，而且還應(yīng)傳給所有和它接觸并阻礙其運動的一切粒子．因此，在每一粒子周圍就產(chǎn)生以此粒子為中心的波”． 惠更斯還作圖說明了這一原理．,,從圖中可見，由一點產(chǎn)生的光波的傳輸是以球面

10、波的形式傳輸?shù)?，每個子波也都是下一個球面波的中心，而這些子波的波前的包絡(luò)面就是點波源的新波前．,惠更斯原理的示意圖,利用惠更斯原理，惠更斯在解釋折射現(xiàn)象時，修正了斯涅爾定律，得出光由空氣進入水中時， ，即兩個正弦函數(shù)之比等于兩種介質(zhì)中的光速之比．因為當光由疏媒質(zhì)進入密媒質(zhì)時是靠近法線折射的，所以稠密介質(zhì)中光速小于稀疏介質(zhì)中的光速．這一結(jié)論與費馬的推導結(jié)果一致，但與笛卡兒和牛頓的結(jié)果不同．,,兩塊方

11、解石平行放置時所產(chǎn)生的現(xiàn)象（丹麥人巴塞林那斯在1669年發(fā)現(xiàn)）,,在解釋丹麥人巴塞林那斯（E·Bartholinus,1625-1698）在1669年發(fā)現(xiàn)的方解石雙折射現(xiàn)象時，惠更斯認為，光通過以太微粒，同時也通過晶體物質(zhì)微粒，以太微粒對光波的傳輸有影響，并形成一個球面波（即尋常光線）；而晶體中規(guī)則排列的微粒都是橢球體，它們對光波的傳輸產(chǎn)生影響，并形成一個橢球面波（即非尋常光線）．即尋常光線的波面是通常的球面，而非尋常光線的

12、波面是一個橢球面．,惠更斯又認為，對于非尋常光線來說，光在不同方向上的傳播速度不同（即不同方向的折射角不同），所以一束光射入方解石后就會分裂為兩部分．但是，如果光波連續(xù)通過兩個方解石時，會產(chǎn)生4條光線；當兩個晶體相互平行放置時，在第一塊晶體中形成的雙光線，在第二塊晶體中這些光線并不進一步分開，而是平行地通過第二塊晶體；當相互垂直放置時，兩個晶體中的尋常光線和非尋常光線會相互交換；適當放置第二塊方解石，雙折射還會消失，就只有一根射出．對此

13、，惠更斯的波動理論是難以解釋的．,對于影子邊緣的色帶和薄膜顏色——光的衍射和干涉現(xiàn)象，惠更斯也是難以解釋的；惠更斯的波動說解釋偏振現(xiàn)象時也遇到了困難．可見，惠更斯的波動說雖然取得了很大成功，但它是不完善的． 首先，惠更斯的波是縱波（不是橫波），而且是脈沖波；其次，惠更斯也沒有建立起關(guān)于波動過程的周期性概念． 總之，波動說的困難在于它難以解釋光的直線傳播這一基本事實；不能解釋偏振現(xiàn)象，不能圓

14、滿地解釋雙折射現(xiàn)象；傳輸光波的以太物質(zhì)也是值得懷疑的．,光的微粒說的代表人物是牛頓．在牛頓1740年出版的《光學》一書中，對光的本性的理論進行了總結(jié)，在書中提出的31條疑問中，牛頓也論述了光的波動說，并對光的波動說的困難進行了深入的剖析，但更多是傾向于光的微粒說． 牛頓反對波動說的理由，主要有以下三點： 第一，他認為光的波動說不能很好地說明光的直線傳播這一基本事實．,在“疑問28”中，牛頓寫道：“應(yīng)該觀察

15、光在障礙物內(nèi)的繞射，因為擠壓或運動在流體中傳播時，如果遇障礙而一部分運動受到阻礙，那么在障礙物外邊，傳播就不可能沿著直線，而將繞過障礙擴展到其外邊平靜的媒質(zhì)中去，水波和聲波就是這樣繞過障礙物的．但是我們從來不知道光會沿著彎曲的道路走，或者會彎到影子里面去”．但是牛頓當時沒有注意到衍射現(xiàn)象中影子里面的亮條紋． 對于光的衍射，牛頓還進一步談到：“這種彎曲不是向著陰影而是離開它，并且只有在光線通過物體旁邊，與它相距很近

16、時才有這種現(xiàn)象．一旦光線經(jīng)過這物體之后，它就筆直前進”．,第二，光的波動說不能解釋光的偏振現(xiàn)象．　　　1678年惠更斯發(fā)現(xiàn)加上第二塊方解石后不能引起光的第二次雙折射卻引起偏振現(xiàn)象，而他的波動說卻不能解釋． 　　　牛頓注意到了光的波動說在解釋雙折射現(xiàn)象時所遇到的困難．他在疑問28中寫道：“因為從一個發(fā)光物體傳播出去的擠壓或運動，通過一種均勻媒質(zhì)時必須在所有的方向上都一樣．然而根據(jù)那些（在方解石，也稱冰洲石上的）實驗，光線看來在不同方向

17、上有著不同性質(zhì)．…” 換言之，普通光線的性質(zhì)在垂直于傳播方向的一切方向上是相同的，但是由雙折射所得到的光線在垂直于傳播方向的某些特殊方向上具有不同于其他方向的性質(zhì)．,牛頓認為，除了現(xiàn)有的研究之外，光還應(yīng)有一些尚未發(fā)現(xiàn)的“固有性質(zhì)”， “這些屬性是原來就存在于光線之中的”．由于當時一般都把光波與屬于縱波的聲波作比較，所以牛頓的結(jié)論是：“對我來說，如果光僅僅是在以太中傳播的擠壓或運動，那么這似乎是解釋不通的．”,第三

18、，對光的波動說賴以存在的“以太”的懷疑． 在“疑問28”中，牛頓還寫道：“對于天空為流體媒質(zhì)（除非它們非常稀?。┧顫M的那種主張，一個最大的反對理由在于行星和彗星在天空中各種軌道上的運動是那樣有規(guī)則和持久，因此很明顯，天空里沒有一切可覺察的阻力，所以也沒有任何可覺察到的物質(zhì)．……而如果把它拋棄，那么光是這樣一種介質(zhì)中傳播的擠壓或運動的這種假說，也就和它一起拋棄了”．,雖然牛頓基本上是肯定微粒說的，但是在解釋薄

19、膜色彩和“牛頓環(huán)”時，他提出了與波動說很相近的“猝發(fā)”理論．牛頓認為，光微粒在折射面或反射面處將激起物質(zhì)和媒質(zhì)的振動，這種振動的傳播速度比光線還要快，因而可以趕上和超過光線；每一光線由于受到這種降臨到它的每一振動的作用而相繼處于一陣容易透射、一陣容易反射的狀態(tài)．“每條光線在它通過任何折射面時都要進入某種短暫的組態(tài)或狀態(tài)，這種組態(tài)或狀態(tài)在光線行進中按相等的間隔復原，并且在每次復原時傾向于使光線容易穿過下一個折射面，而在兩次復原之間則容易被

20、它所反射．”,牛頓將“每一次復原和下一次復原之間光線通過的間隔”稱為“猝發(fā)間隔”．這與“波長”的定義很相似，可見他對光的周期性是有所認識的． 光的微粒說和波動說幾乎是在同一時代產(chǎn)生的，為什么十九世紀以前光的微粒說一直占據(jù)著統(tǒng)治地位，其原因是多方面的，大體可歸納為以下幾個方面： 第一，惠更斯的波動說本身的不完善性，而解決微粒說和波動說爭論的判決性實驗——光速的測定，還無法在實驗室中進行．,第二

21、，在17、18世紀，經(jīng)典力學已經(jīng)建立并取得很大成就．這種傳統(tǒng)觀念也影響著人們?nèi)菀捉邮苡媒?jīng)典力學的機械論——微粒說來解釋光的本性． 第三，牛頓的威望很高，權(quán)威提出的理論易被人們所接受．牛頓自己也沒有想到，由于他的權(quán)威地位，使得接受波動說延誤了一個多世紀．,進入1800年，英國醫(yī)生托馬斯·楊（Thomas Young, 1773-1829)和法國工程師菲涅耳(Augustin Jcan Fresn

22、el, 1788-1827)、阿拉果的工作，使波動說又重新提出，并取得成功． 1800年，托馬斯·楊在論文《聲學和光學的大綱和實驗》中，他認為光與聲都是波，提出了反對光的微粒說的新論據(jù)：在解釋由強光源和弱光源所發(fā)出的光粒子有同樣的速度方面的困難，以及在解釋射線從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，一部分不斷地被反射，而另一部分不斷地發(fā)生折射的困難．研究了聲波的疊加原理，提出了“干涉”的概念．,1801年，托馬斯

23、·楊在《哲學雜志》上發(fā)表的論文很完整地闡述了干涉原理，即“當同一束光的兩部分從不同路徑，精確地或非常接近地沿同一方向進入人眼，則在光線的路程差是某一長度的整數(shù)倍處，光將最強，而在干涉區(qū)之間的中間帶則最弱，這一長度對于不同顏色的光是不同的．” 托馬斯·楊還明確指出：相互疊加的兩部分光必須是發(fā)自同一光源． 為了進一步說明干涉理論，托馬斯·楊還用紫外線做實驗．由于紫外線是不可見光，他讓紫外

24、線反射在涂有氯化銀溶液的紙上，結(jié)果出現(xiàn)了黑環(huán)，從而證明了他的干涉原理．,借助干涉原理，托馬斯·楊解釋了“牛頓環(huán)”現(xiàn)象，即在透鏡與玻璃之間形成一個空氣層，光線在空氣層的上下表面反射的兩束光相互疊加就產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象． 1802年，托馬斯·楊在英國皇家學會上講演時講述了自己所作的雙縫干涉實驗．他還測定了光波的波長，“比較各次實驗，看來空氣中極紅端的波的寬度約為 英寸，而極紫端則為

25、 英寸”．這里的“波的寬度”就是波長，折合成現(xiàn)代的數(shù)據(jù)，約為 埃（紅光）和 埃（紫光）．托馬斯·楊實現(xiàn)了用實驗方法測得可見光的波長．,,,,,盡管托馬斯·楊的理論在他的祖國——英國受到一些人的猛烈攻擊，但卻受到一些法國學者和工程師的重視，在19世紀初，他們對光的波動說的研究，大大地推動了光的波動說乃至整個光學的發(fā)展． 1809年夏的一個傍晚，法國工程師、物理

26、學家馬呂斯（Etienne Louis Malus,1775-1812）用方解石（也稱冰洲石）晶體觀看被玻璃窗反射的太陽光像時，他驚奇地發(fā)現(xiàn)，當在某一位置用晶體觀察時，太陽的雙像之一消失了．,在當天晚上，馬呂斯又發(fā)現(xiàn)，蠟燭光以36度角落在水面上反射時，用方解石也會看到類似的現(xiàn)象，即只有一個像；在其他的情況下，兩個火焰像的明亮程度不同；當轉(zhuǎn)動方解石時，兩個火焰像呈現(xiàn)出交替的明暗變化． 馬呂斯作了的進一步研究發(fā)現(xiàn)，如果從

27、方解石出來的兩束光同時以36度角落在水面上，尋常光被部分地反射，而非尋常光則完全未被反射，不被反射的光被折射進入水中了，他由此得出了“偏振”的術(shù)語．他證明，尋常光與非尋常光的“偏振”方位是相互垂直的；折射光只是部分偏振光，其偏振狀態(tài)與反射光的偏振狀態(tài)恰成相反分布．,1811年，英國科學家布儒斯特（David Brewster, 1781-1868）發(fā)現(xiàn)，光線射向兩種介質(zhì)的界面，當反射光線與折射光線恰好垂直時，反射光就成為平面偏振光

28、．同年，法國物理學家阿拉果（Dominique Francois Arago,1786-1853）也發(fā)現(xiàn)了色偏振現(xiàn)象． 對于偏振現(xiàn)象，馬呂斯與布儒斯特都堅持用微粒說來解釋，并反對用波動說來解釋, 而當時托馬斯·楊也不能解釋. 直到1817年，托馬斯·楊得出了新的觀點，光波與聲波的不同之處在于，光波是像水那樣的橫波．他寫信向阿拉果表達了自己的觀點，阿拉果將此信轉(zhuǎn)告菲涅耳．,橫波的偏振現(xiàn)象

29、,只有橫波才有偏振現(xiàn)象.,菲涅耳是工程師，1814年他對光學發(fā)生了興趣，獨立做了托馬斯·楊在10年前所做過的實驗，并有所進步. 在阿拉果的鼓勵下，菲涅耳加快了他的研究進度，最終為波動說提供了一個堅實的數(shù)學基礎(chǔ)． 1815年，菲涅耳向科學院提交了關(guān)于衍射的報告，在這篇報告中，除了衍射的實驗外，還提出了惠更斯-菲涅耳原理-----“在任何一點的光源振動可以看作在同一時刻傳播到那一點上的光的元振動的總和，這些元振動

30、來自所考察的未受阻攔的波的所有部分在它以前位置的任何一點的各個作用．”,菲涅耳采用了惠更斯的子波概念，并使子波具有了頻率、振幅和位相的內(nèi)容，從而使光的衍射理論更加完善． 為了說明干涉原理，菲涅耳設(shè)計了新的實驗---雙光干涉實驗．他使兩個平面鏡并接起來，交接的角度小于180度．兩面平面鏡對一較小光源反射，便可得到兩束相干光，在屏上產(chǎn)生了清晰的干涉條紋．由于完全避開衍射作用，使光的干涉得到了充分的肯定．,在計算衍射花紋時，

31、菲涅耳提出了半波帶法，結(jié)合惠更斯-菲涅耳原理，可精確地計算出光通過圓邊、直邊等形狀的孔發(fā)生的衍射情況．利用惠更斯-菲涅耳原理還成功地證明了光是沿直線傳播的．成功地消除了光的波動說的一大困難，對確立光的波動說具有重要意義． 當阿拉果將托馬斯·楊關(guān)于光波是橫波的觀點轉(zhuǎn)告菲涅耳，菲涅耳很快就以橫波觀點為基礎(chǔ)，推導出光的反射和折射的振幅比公式，即菲涅耳公式，并且與后來根據(jù)電動力學理論導出的公式完全一樣．這一公式的建

32、立也是菲涅耳對光學的重大貢獻之一．,新理論最重要的成就是解釋了當時惠更斯不能解釋的雙折射現(xiàn)象． 1819年，菲涅耳與阿拉果合作進行了驗證光是橫波的觀點的實驗-----證明相互垂直的偏振光不相干涉 ．他們將單色光射向楊氏雙縫，其后的兩條光路上各放置一個起偏器，觀察屏幕上形成的干涉條紋變化情況．結(jié)果令人信服地證明，光是橫波．,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

33、了許多困難，于是各種假說紛紛提出，以太成為了十九世紀的眾焦點之一． 　　菲涅耳在研究以太時發(fā)現(xiàn)的問題是，橫向波的介質(zhì)應(yīng)該是一種類固體，而以太如果是一種固體，它又怎么能不干擾天體的自由運轉(zhuǎn)呢．不久以后泊松也發(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)．柯西試圖以此解決泊松提出的困難．

34、 1845年，斯托克斯以石蠟、瀝青和膠質(zhì)進行類比，試圖說明有些物質(zhì)既硬得可以傳播橫向振動又可以壓縮和延展——因此不會影響天體運動． 　　1887年，英國物理學家麥克爾遜與化學家莫雷以“以太漂流”實驗否定了以太的存在．,但此后仍不乏科學家堅持對以太的研究．甚至在麥克斯韋的光的電磁說提出以后，還有許多科學家潛心致力于對以太的研究． 自從托里拆利和蓋利克得到了比較高的真空以后，光和聲音相反，在傳播中不需要物質(zhì)這一點已是

35、確定無疑的了．,十九世紀中后期，在光的波動說與微粒說的論戰(zhàn)中，波動說已經(jīng)取得了決定性勝利．但人們在為光波尋找載體時所遇到的困難，卻預示了波動說所面臨的危機． 1887年，德國科學家赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，光的粒子性再一次被證明！ 　 二十世紀初，普朗克和愛因斯坦提出了光的量子學說．1921年，愛因斯坦因為"光的波粒二象性"這一成就而獲得了諾貝爾物理學獎． 　　 1921年，康普頓在試驗中證明了X射線的粒子性

36、．1927年，杰默爾和后來的喬治·湯姆森在試驗中證明了電子束具有波的性質(zhì)．同時人們也證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線具有波的性質(zhì)．,在新的事實與理論面前，光的波動說與微粒說之爭以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕． 　　光的波動說與微粒說之爭從十七世紀初笛卡兒提出的兩點假說開始，至二十世紀初以光的波粒二象性告終，前后共經(jīng)歷了三百多年的時間．牛頓、惠更斯、托馬斯．楊、菲涅耳等多位著名的科學家成為這一論戰(zhàn)雙方的主辯手．正是他們

37、的努力揭開了遮蓋在“光的本質(zhì)”外面那層撲朔迷離的面紗． 　　經(jīng)過三個世紀的研究，我們得出了光具有波粒二象性的結(jié)論，然而隨著科學的不斷向前發(fā)展，在光的本性問題上是否還會有新的觀點、新的論據(jù)出現(xiàn)呢？波粒二象性真的是最后結(jié)果嗎？,,光的衍射,,S,,,,然而1672年，偉大的牛頓在他的論文《關(guān)于光和色的新理論》中談到了他所作的光的色散實驗：讓太陽光通過一個小孔后照在暗室里的棱鏡上，在對面的墻壁上會得到一個彩色光譜．他認為，光的復合和分解就像

38、不同顏色的微?；旌显谝黄鹩直环珠_一樣．在這篇論文里他用微粒說闡述了光的顏色理論． 　　第一次波動說與粒子說的爭論由“光的顏色”這根導火索引燃了．從此胡克與牛頓之間展開了漫長而激烈的爭論．,,,牛頓肖像,1672年2月6日，以胡克為主席，由胡克和波義耳等組成的英國皇家學會評議委員會對牛頓提交的論文《關(guān)于光和色的新理論》基本上持以否定的態(tài)度． 牛頓開始并沒有完全否定波動說，但在爭論展開以后，牛頓在很多論文中對胡克的波動說進

39、行了反駁． 　　1675年12月9日，牛頓在《說明在我的幾篇論文中所談到的光的性質(zhì)的一個假說》一文中，再次反駁了胡克的波動說，重申了他的微粒說． 　　由于此時的牛頓和胡克都沒有形成完整的理論，因此波動說和微粒說之間的論戰(zhàn)并沒有全面展開．但科學上的爭論就是這樣，一旦產(chǎn)生便要尋個水落石出．舊的問題還沒有解決，新的爭論已在醞釀之中了．,波動說的支持者，荷蘭著名天文學家、物理學家和數(shù)學家惠更斯繼承并完善了胡克的觀點．1666年，惠更斯應(yīng)邀來

40、到巴黎科學院以后，開始了對物理光學的研究．他仔細的研究了牛頓的光學試驗和格里馬第實驗，認為其中有很多現(xiàn)象都是微粒說所無法解釋的．因此，他提出了波動學說比較完整的理論．他認為，光是一種機械波；光波是一種靠物質(zhì)載體來傳播的縱向波，傳播它的物質(zhì)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．根據(jù)這一理論，惠更斯證明了光的反射定律和折射定律，也比較好的解釋了光的衍射、雙折射現(xiàn)象和著名的“牛頓環(huán)”實驗．,就在惠更斯積極的宣傳波動學說的同時

41、，牛頓的微粒學說也逐步的建立起來了．牛頓修改和完善了他的光學著作《光學》．基于各類實驗，在《光學》一書中，牛頓一方面提出了兩點反駁惠更斯的理由：第一，光如果是一種波，它應(yīng)該同聲波一樣可以繞過障礙物、不會產(chǎn)生影子；第二，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)，波動說無法解釋其原因．另一方面，牛頓把他的物質(zhì)微粒觀推廣到了整個自然界，并與他的質(zhì)點力學體系融為一體，為微粒說找到了堅強的后盾．,隨著惠更斯與胡克已相繼去世，波動說一方無人

42、應(yīng)戰(zhàn)．而牛頓由于其對科學界所做出的巨大的貢獻，成為了當時無人能及的一代科學巨匠．隨著牛頓聲望的提高，人們對他的理論頂禮膜拜，重復他的實驗，并堅信與他相同的結(jié)論．整個十八世紀，幾乎無人向微粒說挑戰(zhàn)，也很少再有人對光的本性作進一步的研究．　　十八世紀末，在德國自然哲學思潮的影響下，人們的思想逐漸解放． 1801年，楊氏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．

43、,1808年，拉普拉斯用微粒說分析了光的雙折射線現(xiàn)象，批駁了楊氏的波動說． 　 1809年，馬呂斯在試驗中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象．在進一步研究光的簡單折射中的偏振時，他發(fā)現(xiàn)光在折射時是部分偏振的．因為惠更斯曾提出過光是一種縱波，而縱波不可能發(fā)生這樣的偏振，這一發(fā)現(xiàn)成為了反對波動說的有利證據(jù)． 　　1811年，布呂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

44、的研究更朝向有利于微粒說的方向發(fā)展． 　 面對這種情況，楊氏對光學再次進行了深入的研究，1817年，他放棄了惠更斯的光是一種縱波的說法，提出了光是一種橫波的假說，比較成功的解釋了光的偏振現(xiàn)象．吸收了一些牛頓派的看法之后，楊氏又建立了新的波動說理論．,1882年，德國天文學家夫瑯和費首次用光柵研究了光的衍射現(xiàn)象．在他之后，德國另一位物理學家施維爾德根據(jù)新的光波學說，對光通過光柵后的衍射現(xiàn)象進行了成功的解釋． 　

45、　至此，新的波動學說牢固的建立起來了．微粒說開始轉(zhuǎn)向劣勢．,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，以太成為了十九世紀的眾焦點之一． 　　菲涅耳在研究以太時發(fā)現(xiàn)的問題是，橫向波的介質(zhì)應(yīng)該是一種類固體，而以太如果是一種固體，它又怎么能不干擾天體的自由運轉(zhuǎn)呢．不久以后泊松也發(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

46、新的光波學說相矛盾．,為了解決各種問題，1839年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)．柯西試圖以此解決泊松提出的困難． 1845年，斯托克斯以石蠟、瀝青和膠質(zhì)進行類比，試圖說明有些物質(zhì)既硬得可以傳播橫向振動又可以壓縮和延展——因此不會影響天體運動． 　　1887年，英國物理學家麥克爾遜與化學家莫雷以“以太漂流”實驗否定了以太的存在．但此后仍不乏科學家堅持對以太的研究．甚至在麥克斯韋的光的電磁說提

47、出以后，還有許多科學家潛心致力于對以太的研究．,十九世紀中后期，在光的波動說與微粒說的論戰(zhàn)中，波動說已經(jīng)取得了決定性勝利．但人們在為光波尋找載體時所遇到的困難，卻預示了波動說所面臨的危機． 1887年，德國科學家赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，光的粒子性再一次被證明！ 　 二十世紀初，普朗克和愛因斯坦提出了光的量子學說．1921年，愛因斯坦因為"光的波粒二象性"這一成就而獲得了諾貝爾物理學獎． 　　 1921年，康

48、普頓在試驗中證明了X射線的粒子性．1927年，杰默爾和后來的喬治·湯姆森在試驗中證明了電子束具有波的性質(zhì)．同時人們也證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線具有波的性質(zhì)．,在新的事實與理論面前，光的波動說與微粒說之爭以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕． 　　光的波動說與微粒說之爭從十七世紀初笛卡兒提出的兩點假說開始，至二十世紀初以光的波粒二象性告終，前后共經(jīng)歷了三百多年的時間．牛頓、惠更斯、托馬斯．楊、菲涅耳等多位著名的科學家成