从惠更斯到爱因斯坦——对光本性的不懈探索

作者: 方在庆 黄佳(中科院自然科学史所)

来源: 上海《科学》杂志

发布日期: 2015-07-29

本文详细回顾了从17世纪到20世纪,科学家们对光的本性进行探索的历史过程。从惠更斯的光波动说到牛顿的光微粒说,再到麦克斯韦的电磁波理论和爱因斯坦的光量子假说,最终确立了光的“波粒二象性”本性。文章通过展示历史中的三个典型阶段,揭示了科学研究成果得到承认的曲折过程,并强调了科学理论的解释力和数学简洁性的重要性。

联合国教科文组织将2015年定为“国际光年”。公元1600年以来,人类对光的本性进行了不懈的探索。光的波动说与微粒说各领风骚上百年。它们之间除了激烈论战的一面外,还有相互吸收的另一面。经过不断努力,人们最终认识到“波粒二象性”才是光的本性。在这个过程中,惠更斯、牛顿、托马斯·杨、菲涅耳、麦克斯韦和爱因斯坦等众多科学家做出了卓越贡献。

历史上,以牛顿、拉普拉斯、毕奥等为代表的光的微粒派,和以惠更斯、托马斯·杨、菲涅耳等为代表的波动派之间展开了多个回合的论争。两大阵营大将辈出,互有胜负,各领风骚上百年。这段历史也是史家之最爱,为了强调冲突的戏剧效果,往往将双方的对峙说成是阵线分明,你死我活。这与史实相差甚远。

本文从波澜壮阔的历史中选择了三个典型阶段,试图通过展示其中被忽视的部分,还原真实曲折的研究过程,彰显科学研究成果得到承认之不易。

微粒说与波动说之争。笛卡儿首先提出了关于光的本性的两种假说:光是类似于微粒的一种物质;光是一种以“以太”为媒质的压力,“光在本质上是一种压力,在一种完全弹性的、充满一切空间的媒质(以太)中传递”。无论惠更斯还是牛顿,都是从笛卡儿的学说出发,在吸收并最终抛弃笛卡儿的思想基础上形成两大对立的流派——微粒说和波动说。

菲涅耳令波动说胜出。

在1816至1819年间,几个著名的微粒说者已经意识到了干涉理论可以解释微粒说无法解释的现象。他们面临着抉择,要么选择干涉理论,要么固执己见。最初的反应是仅将干涉理论作为一个唯象理论。托马斯·杨的出现,让微粒说的一统地位开始出现动摇。牛顿之后的英国,微粒说占据主流。法国也是如此。其中的大将,是在当时被称为“法国牛顿”的拉普拉斯。

拉普拉斯在政治上见风使舵,以政治投机闻名,曾毛遂自荐当过拿破仑的内政部长六个月。尽管微粒派极力捍卫,但在解释干涉、衍射等光学现象时却捉襟见肘,相反,用波动理论解释则简洁许多。菲涅耳优美的数学表述,从内部分化了微粒说的阵营;一些原先反对波动说的学者开始“改宗”或“倒戈”,就连一些最坚定的成员也开始动摇,在事实面前接受波动学说。

以菲涅耳获得1819年法国科学院的奖项作为转折点,光的波动理论重新获得主导权。

确立光之本性。苏格兰物理学家麦克斯韦被认为是处于牛顿和爱因斯坦之间的最伟大的物理学家。1860年代,光的波动说已经确立很久了。麦克斯韦在总结前人关于电磁学方面的研究成果的基础上,于1861年提出了光本身就是一种电磁扰动的看法。

麦克斯韦的观点并没有削弱那时已经建立的波动说的重要地位,因为他提出的电磁扰动具备了波动学说所有的标准特征。在1865年,麦克斯韦进一步指出光也是一种电磁波,从而产生了光的电磁理论。1900年,为了解决经典物理学预测的黑体辐射能量分布同实验结果之间严重不符的矛盾,普朗克提出了能量量子的假设,从而得到了黑体辐射的普朗克公式。而对于量子概念背后的含义,普朗克并没有多想,只是把它作为权宜之计。

1905年,爱因斯坦运用光量子假设,成功地解释了光电效应。令人遗憾的是,在爱因斯坦提出光量子假说后近20年的时间里,物理学家们一直拒绝接受它。只是当康普顿和德拜通过实验证明,光子与电子在相互作用中不但有能量变换,还有一定的动量交换之后,爱因斯坦的光量子假说才被承认。1925年量子力学建立后,物质波的概念得到承认。

人们发现,原子以及组成它们的电子、质子和中子等粒子的运动也具有波的属性,波动性是物质运动的基本属性。那种仅仅把波动理解为某种媒介物质的力学振动的狭隘观点已被“波粒二象性”所取代。经过200年的旅程,光的波动学说与微粒学说,在新的实验事实与理论面前,实现了融合。“波粒二象性”才是光的本性。20世纪50年代后,激光的出现和广泛应用,更加深了人们对光的本性的认识。

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