16-17世紀(jì)光學(xué)（下）
4.惠更斯及其波動(dòng)說

惠更斯是荷蘭著名天文學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家，他也是通過天文學(xué)而接觸光學(xué)的。當(dāng)巴黎科學(xué)院在1666年創(chuàng)立時(shí)，即以重要職位和待遇聘任惠更斯為巴黎科學(xué)院院士。

在光學(xué)中，惠更斯早年在研制望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)儀器時(shí)，已比較系統(tǒng)地研究過幾何光學(xué)。來巴黎后，他的光學(xué)研究逐漸從幾何光學(xué)轉(zhuǎn)到物理光學(xué)方面。

后來，他去英國(guó)旅行，在劍橋大學(xué)會(huì)見了牛頓，他們互相介紹了自己對(duì)于光的本性的初步看法，那時(shí)，雖然惠更斯尚未建立起系統(tǒng)的光波系統(tǒng)學(xué)說，但已傾向于格里馬第和胡克等人的觀點(diǎn)，認(rèn)為光是一種波。這樣，在光的本性問題上，惠更斯與牛頓明顯地發(fā)生了分歧。返回巴黎后，惠更斯重復(fù)了牛頓的一些光學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過這些光學(xué)實(shí)驗(yàn)，特別是"牛頓環(huán)"實(shí)驗(yàn)與格里馬第實(shí)驗(yàn)，惠更斯進(jìn)一步認(rèn)定，這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)用微粒說無法解釋。他還以生活中的光現(xiàn)象為例進(jìn)行了分析，他說，如果光線是微粒組成的，那未光線在彼此交叉時(shí)，它們就會(huì)互相碰撞，互相碰撞就會(huì)改變方向，但生活中并未見到這樣的光線現(xiàn)象。在研究"牛頓環(huán)"實(shí)驗(yàn)與格里馬第實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，惠更斯提出了它的一種比較系統(tǒng)的的光波學(xué)說。

惠更斯認(rèn)為，光是一種機(jī)械波，這種機(jī)械波是由光波的振動(dòng)而發(fā)出的?？墒?，這隨即產(chǎn)生了另一個(gè)問題，即如果光是一種機(jī)械波，那么它必然有相應(yīng)的載體。水波的載體是水，聲波的載體是空氣，光波的載體是什么呢？為此，惠更斯提出了他的光波學(xué)說的第二個(gè)要點(diǎn)，即光波是一種靠物體載體來傳播的縱向波，傳播它的物體載體是"以太"。在提出上述兩個(gè)要點(diǎn)之后，惠更斯還就光波本身的傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。他認(rèn)為，波面上的各點(diǎn)，本身就是引起媒質(zhì)振動(dòng)的波源。他把由波源振動(dòng)發(fā)出的波稱為子波；而把發(fā)出于波的波稱為原波。子波由原波發(fā)出后，形成新的波面，新的波面形成后即成為原波，原波又發(fā)出子波，如此持續(xù)傳播下去。這就是他用以解釋光的傳播規(guī)律的著名的惠更斯原理。

根據(jù)上述原理，惠更斯較好地解釋了波在媒質(zhì)中的傳播規(guī)律。運(yùn)用這一原理，可以推導(dǎo)出光的反射定律和折射定律，可以解釋光在晶體媒質(zhì)中的雙折射現(xiàn)象，可以解釋光的衍射現(xiàn)象，也可以解釋實(shí)為光的干涉的"牛頓環(huán)"現(xiàn)象。

這樣，一個(gè)由上述三個(gè)理論要點(diǎn)為基本內(nèi)容的光波學(xué)說，就由惠更斯基本上建立起來了。光的波動(dòng)說雖然不是惠更斯最先提出來的，但卻是由他最先給予理論總結(jié)的。所以，從此惠更斯就成了光的波動(dòng)說的代表人物。

1678年，惠更斯向巴黎科學(xué)院提交了他的光學(xué)論著《光論》。同年，他還以光的波動(dòng)論為基本內(nèi)容，在巴黎科學(xué)院年會(huì)上作了反駁牛頓的光的微粒說的著名講演，這樣，波動(dòng)說與微粒說的第二次論爭(zhēng)，便在惠更斯與牛頓之間爆發(fā)了。

5.牛頓及其微粒說

惠更斯于1678年在巴黎科學(xué)院所作的反駁微粒說的講演內(nèi)容不久以后即傳到英國(guó)，《光論》一書在1690年出版后也傳到了英國(guó)。針對(duì)惠更斯的觀點(diǎn)，牛頓以他的光的色散實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步發(fā)展了他的微粒說。與此同時(shí)，牛頓開始修改和充實(shí)他在1675年前后動(dòng)手寫作的主要光學(xué)著作《光學(xué)》。

在《光學(xué)》中，牛頓反駁了惠更斯的波動(dòng)說，對(duì)他的微粒說進(jìn)行了系統(tǒng)的理論解釋。在反駁惠更斯對(duì)冰洲石(亦稱方解石，但它實(shí)際上是方解石CaCO3的無色透明的亞種）的雙折射現(xiàn)象所作的波動(dòng)說的解釋時(shí)，牛頓說："就我所知，到目前為止還只有惠更斯一人，試圖用擠壓或運(yùn)動(dòng)的傳播來說明冰洲晶石中的非常折射，為此他假設(shè)在這種晶體中有兩種不同的振動(dòng)媒質(zhì)。"他對(duì)惠更斯的這一假說進(jìn)行反駁后接著說："對(duì)我來說，假如光僅僅是在以太中傳播的擠壓或運(yùn)動(dòng)，那末這似乎也是解釋不通的。"在《光學(xué)》中，牛頓主要以光的反射和折射現(xiàn)象為基礎(chǔ)，堅(jiān)持了他對(duì)光的本性所作的微粒說的解釋。他說："光線是否是發(fā)光物質(zhì)發(fā)射出來的很小的物體？因?yàn)檫@樣一些物體能直線穿過均勻媒質(zhì)而不會(huì)彎到影子區(qū)域里去，這正是光的本性"，"為了說明光線一陣容易反射、一陣容易透射的猝發(fā)現(xiàn)象，我們并不需要?jiǎng)e的，而只要把光線看作是微小的物體，這些微粒用它們的吸引力或某種其他的力在它們對(duì)之作用的物質(zhì)中激起振動(dòng)，這些振動(dòng)比光跑得快，連續(xù)不斷地趕上光線，并激動(dòng)它們，乃至輪流地增加或減少它們的速度，從而使它們處在一陣一陣的猝發(fā)狀態(tài)之中。"在《光學(xué)》中，牛頓不僅以微粒說作為他的光的本性問題的理論基礎(chǔ)，而且把他的物質(zhì)微粒觀念推廣到所有自然現(xiàn)象之中，并因此與他的整個(gè)質(zhì)點(diǎn)力學(xué)體系融為一體。他在推論物質(zhì)微粒的種種特性后說："所有物質(zhì)的東西似乎都是由上述這些堅(jiān)硬的固體粒子所組成，都是依照一個(gè)智慧者的意愿在第一次創(chuàng)世時(shí)通過這些粒子的不同組合造出來的。"這樣，牛頓就把他的光的微粒說與他的整個(gè)機(jī)械自然觀也融為一體了。

牛頓的《光學(xué)》共分三編。第一編主要論述光的傳播問題，第二編主要論述光的顏色問題：第三編主要以格里馬第實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，論述光的折射現(xiàn)象。最后以一系列的問題為結(jié)尾，論述了他的以物質(zhì)微粒觀念為基礎(chǔ)的機(jī)械自然觀。《光學(xué)》一書，表明牛頓在論述他的微粒說時(shí)，也曾吸收波動(dòng)說的某些觀念，并試圖解決微粒說與波動(dòng)說的論爭(zhēng)，最終把兩種理論統(tǒng)一起來。

牛頓的微粒說盡管有其局限性的一面，但在探索光的本性的認(rèn)識(shí)道路上，它與波動(dòng)說同樣是一個(gè)重要的里程碑。因?yàn)殛P(guān)于光的本性的波動(dòng)性與粒子性的認(rèn)識(shí)，人們直到二十世紀(jì)初才得以在波粒二象性的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來。

可能為了避免與英國(guó)的波動(dòng)說的代表人物胡克再度引起論爭(zhēng)，牛頓的《光學(xué)》完成后一直未出版，直到胡克在1703年去世之后，牛頓的《光學(xué)》才在1704年公開出版。在《光學(xué)》公開出版之前，波動(dòng)說主要代表人物惠更斯早已于1695年去世?；莞购秃讼嗬^去世之后，波動(dòng)說的一方無人能與牛頓進(jìn)行論爭(zhēng)，同時(shí)由于牛頓本人的科學(xué)聲譽(yù)越來越高，牛頓的微粒說也就因此成為處于支配地位的學(xué)說。

作為光學(xué)的早期經(jīng)典著作之一的《光學(xué)》影響了長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)多世紀(jì)的光學(xué)進(jìn)展。直到本世紀(jì)初，當(dāng)牛頓的《光學(xué)》再版時(shí)，愛因斯坦(1879-1955年）在為該書作序時(shí)還說："誰要有閑暇和寧?kù)o來讀這本書，就會(huì)重新生活于偉大的牛頓在他的青年時(shí)代所經(jīng)歷的那些奇妙的事件當(dāng)中。對(duì)于他，自然界是一本打開的書。"愛因斯坦的這一評(píng)述，除了在一定程度上揭示了牛頓在光學(xué)中所遵循的方法之外，也在一定程度上說明了牛頓的《光學(xué)》在出版后所產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。在整個(gè)18世紀(jì)，除了瑞士數(shù)學(xué)家約翰.貝努利和歐拉等人堅(jiān)持光的波動(dòng)說之外，絕大多數(shù)人都成了牛頓的微粒說的信徒。

以牛頓為代表的微粒說和以惠更斯為代表的波動(dòng)說之爭(zhēng)，是一場(chǎng)影響深遠(yuǎn)的科學(xué)論爭(zhēng)，正是由于這場(chǎng)論爭(zhēng)，在近代光學(xué)史上正式揭開了波粒之爭(zhēng)的序幕。

6.楊氏及其波動(dòng)說

到了18世紀(jì)末，隨著以天體演化學(xué)說為旗幟的科學(xué)思想的進(jìn)一步解凍，光學(xué)開始慢慢地恢復(fù)一些生機(jī)。到了19世紀(jì)初，使人們意想不到的是，以惠更斯為代表的光的波動(dòng)說在沉寂了一個(gè)多世紀(jì)之后，又奇跡般地復(fù)興起來，這個(gè)在新的世紀(jì)中復(fù)興光的波動(dòng)說的開拓者，是英國(guó)著名物理學(xué)家托瑪斯.楊氏(1773-1829年）。

楊氏是一位類同于法國(guó)百科全書派式的學(xué)者。1795年，楊氏在哥庭根大學(xué)獲醫(yī)學(xué)博士學(xué)位。在德國(guó)自然哲學(xué)思潮的影響下，楊氏對(duì)牛頓的光學(xué)理論產(chǎn)生了最初的懷疑和動(dòng)搖。他根據(jù)自己的一些初步的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，在1800年寫成了一篇題為《關(guān)于光和聲的實(shí)驗(yàn)和問題》的論文，表示對(duì)惠更斯的光的波動(dòng)說表示贊同，對(duì)牛頓的微粒說表示懷疑。他說："盡管我仰慕牛頓的大名，但我并不因此非得認(rèn)為他是萬無一失的。我……遺憾地看到他也會(huì)弄錯(cuò)。而他的權(quán)威也許有時(shí)甚至阻礙了科學(xué)的進(jìn)步。"在當(dāng)時(shí)牛頓的理論尚居于權(quán)威地位的情況下，他能對(duì)牛頓作出如此大膽的議論，確實(shí)是需要一些膽略與氣魄的。

在文中，楊氏對(duì)光現(xiàn)象與聲現(xiàn)象進(jìn)行了類比分析，他從所觀察到的聲波在重迭時(shí)有加強(qiáng)或減弱這種現(xiàn)象出發(fā)，認(rèn)為光也有這種類似的特性，并進(jìn)而認(rèn)為光也是一種波。這是在光的波動(dòng)說沉寂一百年之后，人們首次提到光的波動(dòng)說。

1801-1804年間，楊氏出任英國(guó)皇家學(xué)院物理學(xué)教授，講授數(shù)學(xué)物理方程。在這一時(shí)間內(nèi)，他完成了對(duì)光的干涉現(xiàn)象和干涉理論的研究。

楊氏雖在1800年重提光的波動(dòng)說，但當(dāng)時(shí)他尚缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)。因此，他決定設(shè)計(jì)出一種實(shí)驗(yàn)，以證實(shí)光的波動(dòng)說。他從對(duì)聲波的干涉現(xiàn)象的研究出發(fā)，認(rèn)為干涉是波所特有的性質(zhì)。他設(shè)想，要切實(shí)證明光是一種波，就必須證實(shí)光是否也發(fā)生干涉現(xiàn)象。

1801年，楊氏進(jìn)行了一個(gè)觀察光的干涉現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)。他把一個(gè)點(diǎn)光源放在一塊不透明的屏后，當(dāng)點(diǎn)光源發(fā)射出的光線通過屏上的兩個(gè)鄰近的狹縫時(shí)，即在另一塊屏上產(chǎn)生明暗交替的黑白條紋。這說明，當(dāng)兩束光線相干時(shí)，光線既可能加強(qiáng)，也可能相互抵消。很顯然，這是一種類似于聲波和水波的波的干涉現(xiàn)象。波在傳播時(shí)，當(dāng)兩列波的波峰與波峰重疊、波谷與波谷重疊時(shí)，兩列波相互加強(qiáng)；而當(dāng)兩列波的波峰與波谷、波谷與波峰重疊時(shí)，兩列波相互抵消。屏上所以出現(xiàn)明暗相間的黑白條紋，正說明光也發(fā)生了波的干涉現(xiàn)象，并由此說明光是一種波。

由于光的波動(dòng)說自己成功地解釋了光的這種干涉現(xiàn)象，而光的微粒說則對(duì)此無能為力。這樣，楊氏就以光的干涉現(xiàn)象這一判決性的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，對(duì)光的波動(dòng)說作出了有力的證實(shí)。

在光的干涉現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，楊氏于同年在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的《哲學(xué)會(huì)刊》上發(fā)表論文，一方面介紹了他所進(jìn)行的光的干涉現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，另一方面也對(duì)他所進(jìn)行的光的干涉實(shí)驗(yàn)與牛頓所進(jìn)行過的"牛頓環(huán)"實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了理論解釋。在這篇論文中，楊氏首次提出了光波的干涉概念，并同時(shí)提出了光的干涉定律：來自同一光源的兩束光線，當(dāng)其方向平行或接近平行，且其路程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，光線互相加強(qiáng)；在其相干部分的中間態(tài)上，光線最強(qiáng)。在文中，楊氏還指出了相干光與不相干光的區(qū)別，公布了他首次近似測(cè)得的光線的波長(zhǎng)，指出了不同色光的波長(zhǎng)各不相同，并以光的波動(dòng)說為基礎(chǔ)，提出了人的視覺理論。

此后，楊氏又對(duì)光的波動(dòng)說進(jìn)行了一些新的實(shí)驗(yàn)和理論研究。1803年，他又寫了一篇題為《物理光學(xué)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算》的論文，依據(jù)他的光的干涉定律，對(duì)光的衍射現(xiàn)象作了進(jìn)一步的理論解釋，認(rèn)為衍射實(shí)際上是直接通過衍射縫的光波和邊界波的干涉。這篇論文于1804年發(fā)表于英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的《哲學(xué)會(huì)刊》上，盡管楊氏在文中對(duì)光的衍射現(xiàn)象所作的理論解釋尚不十分成功，但他卻以此進(jìn)一步擴(kuò)大了光的波動(dòng)說的理論影響。

由于楊氏在英國(guó)復(fù)興了原來形成于法國(guó)的光的波動(dòng)說，這就刺激了牛頓學(xué)派，特別是法國(guó)的牛頓學(xué)派對(duì)光學(xué)的研究。拉普拉斯(1749-1827年）、馬呂斯(1775-1812年）、阿拉戈(1786-1851年）等人，即是法國(guó)的牛頓學(xué)派的代表人物。拉普拉斯在1808年用光的微粒說對(duì)光的雙折射現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并在同年寫出了對(duì)楊氏的光波學(xué)說進(jìn)行駁難的論文。1809年，馬呂斯在一次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象，而惠更斯的光波說曾以為光波是一種縱波，但縱波不可能發(fā)生偏振現(xiàn)象，所以，馬呂斯認(rèn)為，這一新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)的發(fā)現(xiàn)，是證實(shí)牛頓的微粒說的有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。1811年，阿拉戈也發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)偏振光在通過晶體時(shí)，能產(chǎn)生豐富的彩色現(xiàn)象。

與此同時(shí)，英國(guó)的牛頓學(xué)派也活躍起來，布呂斯特(1781-1868年）則是英國(guó)的牛頓學(xué)派的代表人物。1811年，他對(duì)法國(guó)的牛頓學(xué)派所發(fā)現(xiàn)的光的偏振現(xiàn)象進(jìn)行了研究，他在實(shí)驗(yàn)分析中發(fā)現(xiàn)，反射光的偏振的程度，決定于入射角。當(dāng)反射光呈全偏振時(shí)，反射線與折射線成直角，反射角的正切等于折射率。這樣，他就找到了一個(gè)有關(guān)偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)定律，從而在幾何光學(xué)的基礎(chǔ)上對(duì)新發(fā)現(xiàn)的光的偏振現(xiàn)象作了數(shù)學(xué)上的論證。

光的偏振現(xiàn)象與偏振定律的發(fā)現(xiàn)，最初確實(shí)顯得對(duì)光的微粒說有利。在微粒說的駁難下，楊氏對(duì)偏振現(xiàn)象也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析和理論探索，經(jīng)過幾年的努力，他發(fā)現(xiàn)，如果光波不是像聲波那樣沿著運(yùn)動(dòng)方向振動(dòng)的縱向波，而是像水波或者像拉緊的琴弦那樣垂直于運(yùn)動(dòng)方向的橫向波的話，即可用光的波動(dòng)說對(duì)光的偏振現(xiàn)象作出解釋。

1817年，楊氏放棄了惠更斯認(rèn)為光波是一種縱向波的理論，而提出了光波是一種橫向波的假說，從而對(duì)光的偏振現(xiàn)象作出了較為成功的解釋。同年，楊氏寫信給阿拉戈，在信中，楊氏以光波是一種橫向波為新的理論基礎(chǔ)，并吸取了牛頓學(xué)派發(fā)現(xiàn)的偏振現(xiàn)象與偏振定律方面的成就，對(duì)光波學(xué)說進(jìn)行了新的論證，并對(duì)光的微粒說提出了新的駁難。

以后，波粒之爭(zhēng)進(jìn)入了新的高潮，由于菲涅耳(1788-1827年）成功地進(jìn)行了新的光的干涉實(shí)驗(yàn)，使波動(dòng)說在與微粒說的對(duì)比中，占據(jù)了明顯的理論優(yōu)勢(shì)，但波動(dòng)說的勝利并非波粒之爭(zhēng)的終結(jié)。到了19世紀(jì)后期，新的光學(xué)問題又使波動(dòng)說陷入新的理論危機(jī)。直到本世紀(jì)初，當(dāng)?shù)聡?guó)著名物理學(xué)家普朗克和愛因斯坦提出了光的量子說以后，光的波粒之爭(zhēng)才在新的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與新的理論基礎(chǔ)上，以光的波粒二象性的理論統(tǒng)一起來。