光的发展史

什么是光？

什么是光？

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抚摸岁月的尘埃

打开历史的卷轴

跟随我们前辈的脚步

回顾光学理论的发展

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很久很久以前，在一本叫做《圣经》的书中有一句谚语:上帝说如果有光，就有光。这一论断消除了光的所有问题，因为它意味着光只是黑暗和人们可以看到东方和西方的环境的对立面。然而，古希腊人证实了光是客观存在的，是像水龙头里的水一样从人的眼睛里发出的东西。我们之所以能看见一个物体，是因为一束这样的光从我们的眼睛射到了物体上。这种说法解释了为什么我们睁着眼睛能看到物体，但闭着眼睛却看不到它们。然而，在一个黑暗的地方，为什么我们不能睁大眼睛看呢？

毕达哥拉斯提出了一个新理论:光是一种从发光体向四面八方发射的东西，这种东西会立即被障碍物反弹回来。如果它意外地进入一个人的眼睛，一个人会感觉到并看到最终导致它反弹的东西。

虽然这个理论与经验事实有些一致，但光的问题根本没有被这个理论解决。科学上的每一项新发现都会带来许多新问题。就光而言，发光体发出的光是如何穿过空间进入人们的眼睛的？只是冷还是热？它会动吗？它移动多快？

有两种理论:

光的粒子说:光是由数亿个光子或“粒子”组成的。光子从发光体向四面八方发射，就像爆炸的炸弹碎片。

光的波动表明光可以像波一样移动，把信息从一个地方带到另一个地方。然而，这个理论的困难在于波不仅仅是波，因为波的传播需要介质光能够在真空中传播。那么，真空中有介质吗？如果有某种物质填充了真空，那就不是真空。也就是说，由于缺乏一种媒介，我们所谈论的波动可以在其中波动，我们不得不残酷地放弃这个有希望的理论？不要。没有科学家会这样做。稍加想象，科学家就能轻松解决这个问题:空间充满了无处不在的、无形的和无形的非物质媒介——以太。光在这种介质中传播(以太网)。

这就产生了两种相互竞争的光理论:粒子理论和波动理论。那么，哪个学校是正确的？伟大的牛顿支持粒子理论。他觉得波有衍射现象，但光是沿着直线传播的。谁见过光转向？所以他相信粒子理论。当然，在那个时候，许多关于光的奇妙事实被认为与粒子理论不相容，但是这对牛顿来说不是小菜一碟，他非常聪明。他用粒子理论解释了当时已知的所有光现象，只是牺牲了一点简单性。例如，为了解释一些光学现象，他想象光子像鸟一样一个接一个地飞行。尽管在牛顿时代有许多波动理论的倡导者，但以荷兰物理学家惠更斯为首的波动理论家把他们的主要希望寄托在这样一个事实上，即当粒子碰撞时，它们应该相互反弹。然而，实验表明，当两束光相遇时，它们会相互交叉，不会相互影响。然而，如果波动理论仅仅在这个实验的基础上被用来与粒子理论竞争，那么胜利的希望是什么呢？因为在他们的对立面有这样一个天才巨人牛顿！

高山是山谷，大海是陵墓。河流以东三十年，河流以西三十年。牛顿死后，关于光有了新的实验发现，新发明的数学方法为波动理论解决困难提供了强有力的工具。

波动理论的支持者认为，光的衍射现象看不见的原因是光的波长太短。如果障碍物的大小与光的波长相似，应该可以看到光转向的现象。还推测不仅应该有衍射而且应该有干涉。事实上，早在牛顿时代，人们就已经观察到了光的干涉。另一方面，牛顿一直无法提出一个真正令人满意的解释。看来微粒说是不吉利的。

牛顿死后大约一百年，托马斯·严于1817年提出了光是剪切波的假设。在此基础上，法国土木工程师菲涅尔在1818年提交了一份论文，邀请巴黎科学院为解释光折射现象提供奖励。在这篇文章中，他提出了一套高度完善的波浪理论，简洁有力。无论当时有多少复杂而美丽的实验和所有已知的光学现象，都无法解释它们。然而，粒子理论不愿意如此沮丧地退出历史舞台。著名数学家泊松仍然要进行垂死挣扎。根据菲涅尔的理论，他计算出光线被发射到不透明的圆形板上，在圆形板的中心应该有一个亮点-泊松点。显然，没有人见过这种荒谬的现象。因此，泊松兴高采烈地宣称，他驳斥了菲涅耳的波动理论。然而，他似乎早一点高兴。波动理论的支持者已经通过实验证明，在圆板的阴影中心有这样一个亮点。这只是光的衍射现象。这真是搬起石头砸自己的脚。正如《红楼梦》中所说，当局太聪明了，不会计算自己的生命。相反，波动理论的理论基础得到了加强。但是波动理论并不止于此。它还需要进一步的证据来证明粒子理论是错误的。这是法国福柯做的一个重要实验:测量水中的光速。因为这两种理论在这一点上有很大的不同:根据牛顿的光子理论，光在水中的速度应该大于光在真空中的速度；波动理论坚持认为光在水中的速度必须小于在真空中的速度。谁对谁错？科学等了很长时间，最后福柯通过实验证明了光在水中的速度正好符合波动理论的期望值。

通过这一系列的撞击，粒子说这颗恒星是根据它的命运坠落的。当海浪说它对胜利者感到自满时，它仍然没有忘记那句古老的格言:“勇敢总比追逐穷人好，不出卖自己的名字向霸王学习好。”它还需要更多的支持。它想把粒子放进十八层地狱。这是法拉第对电和磁的研究，它恢复了有点停滞不前的古代电磁学。一个新时代已经开始。1872年，麦克斯韦方程组，电磁理论的经典著作，最终由麦克斯韦完成。他把法拉第看似神秘的观点变成了两组成人可以接受的微分方程。这些方程式简洁、完美、简洁。他们不仅解决了当时已知的所有电磁问题，还总结了所有的电磁现象。此外，他从这四个方程推导出电磁波应该存在。这种波应该以光速传播，并且具有光的所有物理特性。也就是说，光是电磁波的一种，所有的波动理论都毫无例外地包含在新的电磁方程中。这个方程组的另一个伟大成就是将物理学家数百年来创造的数百个以太网模型统一成一个电磁以太网。

然而，这些话不能说得太绝对。为了让看起来如此美妙的麦克斯韦理论被人们接受，麦克斯韦假设的电磁波必须通过实验产生。否则，它只能被视为一个有趣的假设。这是一件非常困难的事情。困难不在于电磁波的产生，而在于如何证明电磁波是真的产生的。随着时间的流逝，没有发现这样的波，物理学家开始怀疑麦克斯韦的观点是否正确。在流言中，麦克斯韦死了。

德国人赫兹去世七年后，终于在三年后的1888年，在一系列出色的实验中发现了电磁波。这些实验到处受到欢迎，事实上被认为是类似岩石的实验，极好地证明了麦克斯韦理论的正确性。这不是一个贫乏无味的理论。它不仅具有不可估量的商业价值，而且使人们不得不相信无线电波和光波一样，只是频率不同。可见光的两端有许多不可见光:紫外线、X射线和伽马射线的频率比紫光高；低于红光的频率包括红外线和各种无线电波。为此，光是一种波，它被一个数学上优雅的、永远不会改变的模式牢牢地固定住了。通过几代人的努力，光的所有细节都被揭示出来，并被纳入数学的严肃法则。

波动意味着胜利。他们用雷鸣般的力量压倒了不幸的粒子。他们确实有理由感到自豪:宇宙是由已知的方程控制的，所有的光现象都可以从理论上预测，结果都是根据已知的定律由理性庄严地执行的。拓荒者的工作已经完成，还没有发现任何基本的东西，现在扩大现有的知识只是细节问题。

粒子说死了。它已经失去了所有生存的理由。

时间像箭一样飞逝，太阳和月亮像梭一样穿梭。时间一天天过去。物理学家们正在他们的田地里“在东篱下采摘菊花，悠闲地看着南山”。虽然少数有近千里眼的人知道天空中漂浮的乌云和远处即将来临的风暴，但他们的警告并没有扰乱普通人的平静和无忧。

在赫兹发现麦克斯韦电磁波的实验中，他注意到了一个奇妙的事实:当紫外光被应用到实验装置上时，电磁波出来稍微容易一些。但是这种现象与证实电磁波的存在相比太微不足道了。他不明白这只是那天的乌云之一。令人遗憾。

科学没有永恒的理论。理论预测的论点经常被实验推翻。每一种理论都有一个逐渐发展和成功的时期，之后会迅速衰落。几乎所有重大的科学进步都是由于旧理论的危机和寻找困难解决方案的努力。为了让我们的故事继续下去，我们必须想象人们在寒冷的冬天最大的希望是坐在燃烧的炉火旁。这是因为火能发出一些不可见的光线，给人一种热的感觉——事实上，它辐射电磁波。这种现象在科学上被称为热辐射。这是自然界中非常普遍的事情。然而，人们在寻找这一现象的基本规律时遇到了一点麻烦。这种现象需要用两条定律来描述。物理学家都有寻求普遍规律的爱好。一旦他们发现同一个现象可以用几个定律在不同的方面描述，他们立即试图把这些定律综合成一个单一的普遍定律，以便它可以同时总结所有的方面。

英国物理学家瑞利和詹金斯将热辐射定律合二为一，这与实验结果是一致的。然而，没过多久，人们就发现，当热物体辐射紫外线时，新的法律就失效了。这种荒谬的情况被称为“紫外线灾难”。这发生在上世纪末。当时，没有人认为这不仅仅是一个相当特殊的定律的灾难，而是一个摧毁了这个定律的整个理论基础——经典物理学——的灾难。

当一个理论顺利发展时，意想不到的障碍会突然出现，这在科学中经常发生。所以物理学家不同意“紫外线灾难”。麦克斯韦的电磁理论已经成为经典，因为它有岩石般的实验基础。这是真实的，无可争议的。为了克服这一伟大理论所面临的小小困难，许多拥有一流头脑的物理学家放下工作，转向“不同的人有不同的观点，智者有不同的观点。”其中，德国科学家普朗克脱颖而出。此时，普朗克已经40多岁了，但他正以前所未有的年轻活力和激情疯狂地工作。他以极大的毅力建立并推翻了一个又一个理论模型。在沮丧中，他意识到事实与理论不符，就像理论与事实不符一样。换句话说，如果事实不能用理论来解释，那就没用了，理论必须在新的基础上重建。在这一伟大信念的指引下，他看到了挽救局面的希望。他像个疯子一样花了几个星期尽力解决这个问题，最后他创造了一个公式——它纯粹是不相关量的偶然组合，它的物理意义与公认的传统理论非常不一致，但奇迹般地它与实验非常一致。准确描述普朗克的推理需要太多的数学抽象概念，但这个理论的本质非常简单:物体以电磁波的形式发射或吸收的能量是束。为了方便起见，他把束能量称为“量子”这个结果是新物理学诞生的伟大象征。它将带来重大事件，并使后代称普朗克为量子力学之父。然而，他所谓的高能粒子在经典电磁理论中无疑是异端，因为电磁波携带的能量是连续的，而不是一个接一个的。因此，他感到极度恐惧。他曾经内疚地说:“古典理论给了我们这么多有用的东西，所以我们必须极其小心地对待它，保护它。”科学界也对他的公式漠不关心，因为它没有理论基础，与传统观念不相容。这么多年后，他仍在努力修正自己的理论，以免成为麦克斯韦经典理论的叛徒。

只有当人类在某种事情上做了所有可以想象到的蠢事之后，他们才能在这种事情上得到合理的东西。

随着岁月的流逝，普朗克的思想在风雨中飘摇。似乎被他的创始人抛弃了。但是金子总会发光。历史一再证明，伟大的需求造就伟大的人。1905年，伯尔尼瑞士专利局的一名工作人员在第17期《德国物理学杂志》上同时发表了三篇令人震惊的文章。其中之一是关于光的产生和转变的启发性观点。根据麦克斯韦的理论，对于纯电磁现象和光，能量应该被看作是一个连续的空间函数，但是这个理论会导致与实验的矛盾。如果光的能量不是连续分布在空间中，而是由能量分子组成，似乎会更好。这段话的意思是，为了使理论与实验相一致，光不仅被成束的物质吸收或发射，而且在从物质中分离出来之后，在某种程度上必须表现得像一个粒子:提到光粒子不就是一种反革命的恢复吗？谁有勇气像那个说世界被波动所主宰的人一样演奏同样的老调？他是后来被称为物理学的三大伟人之一——阿尔伯特·爱因斯坦。但他当时是谁？他不是学者或教授，但他想恢复光的粒子理论。他想证明电磁现象的美学上令人满意和经过精心证明的理论基本上是错误的。这只癞蛤蟆想吃天鹅肉。

科学探索不是软卧，只有一条和平的轨道。科学考察是在巨浪滔天的海洋上航行，一个人可能不得不为自己的事业牺牲自己的青春和生命。只有清醒而坚定的人才能到达目的地。爱因斯坦独特而非凡的观点是他长期思考活动中的顿悟。他以极大的精力抛开了传统的理性和逻辑框架。经过深思熟虑和强有力的论证，他对波动理论进行了一次又一次的攻击，不是轻率的，而是肯定的和定量的。他显示出自己是一名极其强大的战士，激励越来越多的研究人员效仿。他们“像一张纸一样席卷了整个军队”，并利用光的粒子理论直接对实验事实给出了简明的解释，即波动理论是为了方便而方便的，并且避免了讨论。特别是爱因斯坦对光电效应的解释，是光-光子理论新粒子理论的一大胜利。

早在1872年，莫斯科大学的斯托雷托夫教授就发现了光电效应。赫兹注意到证实电磁波实验的特殊效应是光电效应。后来，他的学生对这种效应做了大量的研究，发现了光电效应的实验规律。这种效应已经成为现代电影和电视的基础，就像“紫外线灾难”，使得光波动理论变得困难:在这些事实面前，伟大的麦克斯韦的经典电磁理论是如此的脆弱。用爱因斯坦的光子来解释这些事情就像是探测一个袋子并捡起一些物体。

然而，由于波动理论和麦克斯韦电磁理论之间良好的战略结合，这一地位是强大的。为了恢复失去的声誉，复活的粒子理论不能取得快速的胜利。结果，物理战争的乌云正在聚集，火焰无处不在。

波动理论的武装力量是强大的，如光的干涉和衍射，光速在水中的测量等。在对抗粒子理论的斗争中，这些实验已经成为波动理论武器库中最强大的攻击性武器。粒子说对这些坚固城堡的任何攻击都是注定要失败的。然而，据说新的粒子很狡猾，它们探索了一片荒地，这片荒地太荒凉、太危险，无法探索和耕种。在这片贫瘠的土地上开采了丰富的金矿，并生产了许多新武器来抵抗波动。其中，最强大和最引人注目的仍然是光电效应。美国密立根在1915年非常准确和完整地证明了光电效应方程，最终爱因斯坦获得了1921年诺贝尔物理学奖。两年后，密立根因他的精确测量获得了荣誉，这很好地证明了爱因斯坦的观点。光子提到的另一个新武器是，1923年，美国物理学家康普顿利用英国物理学家威尔逊发明的云室成功地观察到了光子和电子之间的碰撞，从而使他们两人都获得了1928年诺贝尔物理学奖。

四分之一个世纪以来，空气中充满了水和烟，这场战斗变成了战壕战。光子不能捕捉波动的固有领域，波动也不能破坏光子的领域。所以我们必须画一条38度的平行线，每个平行线都有自己的位置。科学的袁野属于两个对立的阵营，其前景既不明朗也不合理。这场战争的唯一受害者是以太网。不管阵营的哪一方，它都变得多余。这种让19世纪最优秀的科学家绞尽脑汁、竭尽全力的东西，最终从物理学中消失了。然而，它的掘墓人仍然是爱因斯坦，他在1905年的第17期《德国物理学杂志》上发表了三篇令人震惊的文章。不幸的是，他没有因为“运动物体的电动力学”获得诺贝尔物理学奖。

科学对于一种理论适用于一组事实而另一种理论可以解释另一组事实的情况并不陌生。然而，在以前的事实中，总有一个理由似乎是有意义的。例如，麦克斯韦方程不适用于引力，这不会引起焦虑，因为在那个阶段，没有人期望发现电和引力之间的任何联系。但是现在物理学处于一个全新的境地:同一个实体——光——既是波又是粒子。为了解释干涉和衍射，光必须是波。光电效应把它变成了粒子。这种不断切割和混淆原理的困境让每一个真正的物理学家感到不安和不安:光实际上是两个如此矛盾的东西是不够的。科学中隐藏着如此模糊的二元性，侵蚀了它的重要部分。这完全不符合物理学的所有理想和传统。然而，双方无可辩驳的证据是如此不可辩驳。物理学家心中的痛苦是可怕的。他们只能是无忧无虑的，带着悲伤的脸四处游荡，哀叹他们必须在周一、周三和周五将光视为波，在周二、周四和周六将光视为粒子。星期天怎么样？他们只是向天堂祈求祝福。