光的本性

　　很久以来，人们对光就进行了各种各样的研究。光到底是什么东西呢？这个问题困扰了许多有才智之士。古希腊哲学家们认为光是高速运动的粒子流。凡是发光的物体，例如太阳，都能发出这样的粒子流。当这些微小的粒子流接触到眼睛上时，就引起了人们对光的感觉。

　　对于光的研究在以后很长的年代里没有进展，直到伟大的科学家牛顿，才开创了一个光学研究的新世纪。牛顿在他的工作室里，用三棱镜把白光分解为从红到紫的七种色光。这是人类第一次看到光的奥妙。白光并不是单一的，而是几种不同色光的复合。进一步的研究使牛顿提出著名的光微粒说：光是由极小的高速运动微粒组成的；不同色光有不同的微粒，其中紫光微粒的质量最大，红光微粒的质量最小。利用这种学说牛顿解释了光的折射、反射和上面描述的色散现象。

　　微粒说合乎人们的日常直观心理要求。由于光是直线行进的，人们很容易相信光是粒子流。而且由于牛顿的巨大声望，微粒说一时独领风骚。但在牛顿的同时代人中亦有人大力批驳微粒说，荷兰人惠更斯(1629——1695)于1678年提出波动理论来解释光的本性。他认为光的微粒理论无法解释光线可以相互交叉通过而互不影响，但这却是波的基本性质。利用光的波动理论也很容易解释光的反射与折射现象。那么，到底光是波还是粒子呢?

　　到十九世纪初期，发现了光的干涉、绕射和偏振现象，这些行为只适合于光的波动理论解释。同时，若根据微粒理论，光在水中的传播速度要大于光在空气中的传播速度，而根据波动理论计算的结果则正好相反。在牛顿和惠更斯时期，人们还无法精确测量光速，因此无法用实验判定两理论的正误。但到了十九世纪，科技水平和实验技巧都大大发展，因此在1862年福科测得了光在水中的传播速度，证实了其小于光在空气中的传播速度。这时光的微粒说基本上是彻底被放弃了。到1863年麦克斯韦发表著名的电磁理论，揭示了光波其实是电磁波的一种，这时波动理论的最后的一个难题——传播媒质问题也被解决了。按照传统的机械波理论，光振动是在弹性媒质中的一种机械振动。由于光速极大，人们不得不臆造一种弹性极大但密度极小的媒质“以太”，作为光传播的媒质而散布在宇宙空间。可是，任何实验都测不到以太的存在，而假定它的存在却引起了许多麻烦。从而，“以太”成了波动理论之一大难题，是欲弃之而不能的“鸡肋”。但麦克斯韦的理论告诉我们，电磁波的传播不需要媒质。变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场。这样，变化电磁场的交替产生就构成了电磁波由近及远的传播。因此，如果我们把光视为一种电磁波，则“以太”难题就迎刃而解了，因为根本就不需要它，丢掉这块“鸡肋”一切就解决了。

　　麦克斯韦理论完美地解释了当时已知的所有光学现象。但从十九世纪末起，却发现了一系列令人困惑的新的实验结果。这些结果共同的特点是，他们无法用麦克斯韦理论来解释。其中最典型的是光电效应实验。

　　光电效应是由赫兹（H.R.Hertz，1857一1894）在1887年发现的。研究光电效应的装置如图所示，在一个抽成高真空的玻璃小球内，内表面上涂有感光层(阴极K)，阳极A可做成直线状或圆环形。当单色光通过石英窗口照射到阴极K上时，有电子从阴极逸出，这种电子叫作光电子。如果在A、K两端加上电势差U，则光电子在加速电场的作用下飞向阳极，形成回路中的光电流。光电流的强弱由电流计读出。像这种金属受到光的照射而放出电子的现象就称为光电效应。

　　光电效应实验使传统的光学理论受到严峻考验。伟大的爱因斯坦于1905年提出光量子说来解释该实验。想法是革命性的，即认为光是一束束以光速运动的粒子流，每一个光粒子都携带着一份能量。光量子说受到普朗克量子说的很大影响。普朗克在解释黑体辐射问题时认为光在发射和吸收过程中具有粒子性。爱因斯坦则进一步认为光在传播过程中也具有粒子性。

　　光一方面具有波动的性质，如干涉、偏振等；另一方面又具有粒子的性质，如光电效应等。这两方面的综合说明光不是单纯的波，也不是单纯的粒子，而是具有波粒二象性的物质。这是认识上的不断加深而得到的结论。应该注意这也还不是最后的答案。对于光的本性，虽然经过这么多年的探索，我们所知道的也的确是太少了。光到底是什么?是在某一时刻表现为粒子，而在另一时刻表现为波?还是完全不同于我们现在所知的某种物质?这些问题也是当今的科学家们在苦苦思索的问题。

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