中国科学技术馆之光是什么(上)

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  光是我们日常生活里司空见惯的物质,我们无法想象没有光的世界会是什么模样。人类早在两千多年前就开始了对光的研究,中国的《墨经》里有八条关于光学的记载;在西方,“几何之父”欧几里得也研究过光的反射。后来,随着几何光学的迅速发展,物理光学的研究也开始起步,光的本性问题逐渐成为焦点。
  光的波动说
  光的波动说最早的倡导者是意大利人格里马第,他在1655年首先发现了光的衍射现象,从而认为光的不同颜色是波动频率不同的结果。英国科学家胡克重复了格里马第的实验,并通过对肥皂泡颜色的观察,提出光是一种纵向波的假说,而且他也认为光的颜色由其频率决定。
  光的微粒说
  1672年,牛顿在其论文《关于光和色的新理论》里用微粒说阐述了光的颜色理论,他认为,光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。至此,虽然胡克和牛顿都没有形成完整的光学理论,但波动说与微粒说的第一次争论已经由“光的颜色”这根导火索引燃,开始了“你方唱罢我登场”的关于光的本质的大论战。
  波动还是微粒?
  荷兰科学家惠更斯继承并完善了胡克的观点,提出了比较完整的光的波动理论,认为光是一种靠载体传播的纵波,并积极宣传其波动学说。与此同时,牛顿的微粒说也逐步建立起来。胡克去世后第二年,牛顿发表了其光学著作《光学》,以影子的形成和双折射现象为理由反驳波动说,并且将他的物质微粒观推广到整个自然界,与他的质点力学体系相融合,为微粒说找到了坚强的后盾,微粒说逐渐开始占据上风。
  但是这并不意味着波动说永久的沉默。1801年,英国医生托马斯·杨进行了著名的杨氏双缝干涉实验,点光源发出的光通过两道平行狭缝后在白屏上发生干涉,出现了明暗相间的条纹,从而证明了光是一种波。1817年,托马斯·杨又修正了他的波动学说,提出光是一种横波的假说,并且得到了法国科学家菲涅尔的支持。从此,新的波动学说开始建立起来,微粒说逐渐转向劣势。
  光的波粒二象性
  约半个世纪后,英国物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在,同时得出结论:光是电磁波的一种形式。1888年,年仅31岁的德国物理学家赫兹在实验中验证了麦克斯韦的结论—光是一种电磁波。至此,在光的波动说与微粒说的论战中,波动说已经取得了决定性的胜利。
  光的本性到底是什么呢?后来,科学家又经过很多研究,终于揭示了光的波粒二象性。一切这才恍然大悟!这个研究结果是如何发现的?我们下期接着讲哦!
  (本栏目合作单位:中国科学技术馆)
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