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1、-西方古代和中世纪的光学成就简述-第 8 页 光学的发展 西方古代和中世纪的光学成就简述 古代人对于光现象的记载和研究是和日常生活、观察天象、占星问卜等同时开始的，因此历史上的光学几乎与力学、数学等一起成为人们探索自然奥秘的最早部门但由于光的物理本性不象力的本性那样比较容易为人们认识，因此古代光学基本上停留在对几何光学现象的描述与总结上，作为一门科学，发展比较缓慢从光学器具看，中国的青铜镜早就应用，而玻璃和珐琅在埃及、希腊、罗马发现较早柏拉图学园（ 428348 BC）的教学内容中就已有光的直进和反射角与人射角相等的内容（反射定律的发明者已不可考） 欧几里德（ Euclid，约330275 B
2、C）在光学）一书中说：“我们假想光是直线进行的，在线与线之间还留出一些空隙米，光线自物体到人眼成为一个锥体，锥顶就在人眼，锥底在物体只有被光线碰到的东西，才能为我们看见”这就是“流出论”的根据但原子论者则主张一切感觉都是从物体发出的物质流引起的亚里士多德介于二者之间，主张“视觉是在很睛和可见物体之间的中介者运动的结果”公元二世纪时托勒密（70147）写了光学一书他用如图61装置第一次得出折射的数据（见下表） 折 射 角入射角 托勒密值 现 代 值10 8 72920 1531 145230 2230 22140 29 284950 35 35460 4030 403070 4530 44488
3、0 50 4736 盘 A 空气 r 水 B图为 托勒密实验 由空气射入水中的折射托勒密的结论并不准确，他认为折射角与入射角成正比。中世纪阿拉伯人阿尔加桑（ Alhazen， 965-1038）也写了一本光学，他通过解则知识正确指出眼的视觉功能，改进了托氏仪器，指出入射线、折射线与法线在一平面内，他还提出了有名的“阿尔加桑问题”。从物点发出的光是如何汇集到限内成像的？他还通过晚霞的持续时间，计算出当时太阳处于地平线下10，估算出大气层高度为52000步，后来开普勒指出这个计算结果不对，但物理思想是可贵的，阿尔加桑光学的拉丁文译本在十三世纪曾激励波兰数学家维特洛（Vitello）去研究光学 折射
4、定律的建立 望远镜出现后，为了改善天文、航海与战争中这一必备的利器，需要不断改善已有的光学元件的制备和提高望远镜的倍数，这就不能没有正确的理论研究 开普勒在1604年发表了对维特洛光学论文的注释，1611年发表了屈光学，他认为折射角厂由两部分组成，一部分正比于入射角i，另一部分正比于人射角的正割sect只有在小于30时，托勒密的正比例定律才适用在光近乎垂直入射时，i：r3：2，他还得出玻璃的折射角不会超过42根据光路的可逆性，他得出存在有全反射现象的结论在这些工作的基础上，他求出了曲率相等的双凸透镜的焦距和平面透镜的焦距，并设计了他的望远镜 荷兰数学家斯涅耳（ Willebroad Snel1
5、， 15911626）在大约1621年发现了折射定律，如图，水中点F从空气中看好象在C点，斯涅耳发现，对于任意人射角， 常量这一定律是斯涅耳1626年去世后在他的遗稿中找到的，而第一个利用粒子（“网球”）模型推证这一定律使其具有现代形式的正是笛卡儿，他把余割之比换成了正弦之比光的本性在自然界里，光是人们日常生活中最熟悉的一种现象，光能使世界上一切物体呈现出它们的形状和颜色我们赖以生存的氧气和食物的产生，也是以植物的光合作用为基础的。总之，人类的生活离不开光 多少世纪以来，科学家们为探索光的本性作了大量的实验，提出了许多理论，但是至今还没有能得出最终的、根本性的回答。 人们根据实验很早就已经了解
6、了一些基本光学现象：光沿直线传播；光从镜面反射的角度等于它射向镜面的角度（反射）；光束从空气进入玻璃、水或者其他透明物体时，会发生偏折（折射）；各束光可以彼此交叉通过而不相互干扰。虽然这些规律早为人们确定，但是它们所包含的深刻内容还远远没有为人们认识清楚。究竟光是什么？即关于光的本性这个问题的认识，在不同的历史发展阶段，是不断变化着的，甚至在同一历史时期，也存在两种截然相反的观点。十七世纪，为了解释这些基本规律，形成了两大学派：一派是牛顿主张的“微粒说”，另一派是由惠更斯倡议的“波动说” 。光的本性是什么？对这个问题自古以来就有不同的回答。科学发展到十七世纪，就形成了一场关于光的本性的争论，也
7、就是微粒说和波动说之争。这场争论，是科学（特别是光学）发展的产物，同时又成为科学新发展的动力之一。微粒说是以牛顿为代表，波动说则是以胡克、惠更斯为代表。 1666年，英国科学家牛顿做了探讨光本性的第一个重要实验：他让太阳光通过一块三角棱镜，经棱镜射出的光束是一条按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺序排列的彩色光带。这种光带就称为“光谱”。白光就是由这几种光混合而成的。为了解释这些光学现象，牛顿提出了光的微粒说；他认为：光是由弹性微粒流组成，由光源发出，以高速作直线运动。牛顿以此为论据。阐明了光沿直线传播的性质及反射定律，也解释了光的折射现象。他认为光的传播速度决定于煤质的密度，煤质的密度越大，光在其
8、中传播的速度也越大。根据他的假设，光在水、玻璃中的速度大于空气中的速度。但以后的实验结果与此恰恰相反，证明牛顿的这一结论是谬误的。1672年2月6日牛顿送交皇家学会的一封信“关于光和色的新理论”一文，牛顿说出了自己关于光的物质性的见解，认为“光线可能是球形的物体”，这就是我们通常所说的光的微粒说。牛顿用这种观念。很容易解释光的直线传播，同时也能解释光的反射和折射。但是这篇著作却引起了激烈的论战。在这场论战中，反对牛顿对于光的本性的微粒见解的人是胡克。胡克主张光是一种振动。他举出金刚石受到摩擦、打击或加热时，在黑暗中会发光的例证来说明光必定是一种振动。同时他还以金刚石的坚硬特性，提出这种振动必定
9、是短促的。当讨论了光的直线传播和光速有限之后，胡克认为，在一种均匀煤质中，这一运动在各个方面都以相等的速度在传播，于是发光体的每一个脉动或振动都必将成一个球面。这个球面将不断地扩大，就如同把一石块投入水中后，在水面一点周围的环状波膨胀为越来越大的圆圈那样（尽管肯定要快得多）。由此可知，在均匀煤质中扰动起来的这些球面的一切部分都与射线交成直角。由此可见，胡克实际上已接触到了波前和波面的概念了。 胡克与牛顿争论时，提出不少问题，特别是微粒说所不能解释的一些事例。为了回答胡克提出的问题，牛顿又进一步研究，想办法如何来完善自己的假说和理论。由于牛顿对振动和波动过程有一个严格的了解并有一个严整的数学原理
10、，所以他在与胡克争论过程中，认为在自己的关于光的粒子结构的理论中，作出的结论是正确的，但是他也表明作出这个结论并没有绝对肯定，所以只能用两个字来表示：“可能”。进而认为这个结论在极端的情况下，仅是自己学说的大概的结果，而不是它的基本前提。 1675年 12月 9日，牛顿在送交皇家学会的一篇论文“涉及光和色的理论的假说”中，提出了一个把光的微粒和以大的振动相结合的新假说。论文中写道：“以大的振动在这一假说和那一假说中都是一样有用的和不可缺的。因为假定光线是从发光物质向各方面发射出去的小的微粒的话，那末当它们碰到任何一种折射或反射表面时，就必然要在以大中引起振动，正象石块被投到水中时要引起振动样。
11、我还假定，这些振动将按照激发它们的上述颗粒性光线的大小和速度不同而有不同的深度和厚度。”“只有这样它才能如此普遍而无所不包，以致把其他的假说也都包罗在内，而不需要创造什么新的假说”。 除此之外，牛顿在1675年12月21日写信给奥尔登堡（Henry Oldenbu，当时皇家学会的秘书）的信中在谈到他和胡克看法不同之处，牛顿认为，“除了假定以大是一种能振动的媒质以外，我和他没有什么共同之点。然而我对这个假定有和他很不相同的用法：他认为能振动的以大就是 光本身，而我则认为它不是。这是一个很大的差别，正如他和笛卡儿的差别很大一样。”牛顿在其他的论文中又提出并确立了光的周期性。 当牛顿在皇家学会宣读新
12、的论文、阐述新的假说时，胡克却提出了关于优先权的要求。于是牛顿在愤慨之下，决定不发表光学著作。而牛顿的多年来的光学研究成果，只是在1704年间克死后的一年发表在他的光学著作中。这一偶然事件，看来是影响了光学的发展。波动论的先驱者是英国的罗伯特胡克（一六三五一七0三年），但最先将它系统化的是荷兰的惠更斯（一六二九一六九五年）。惠更斯认为，光是充满宇宙的光介质的波动，关于光波的传动方法，叫做所谓的惠更斯原理。他虽然运用这个理论很好地说明了光的折射和波动，但没能充分地说明光的直射。此外，也没能充分地说明一六六九年发现的冰州石的双折射，这是日为他把光行成是纵波（介质的振动方向同波的前进方向一致）的缘故
13、。荷兰科学家惠更斯是牛顿同时代的人，他提出了光的“波动说”。他认为：光是一种机械波，和声波一样，它依靠煤质来传播、光在水、玻璃等折射煤质中传播速度比在空气中蚀而且各种颜色的光波长不同，传播速度也不一样，波长越短，传播速度越慢，因此紫光偏折最厉害。波动说能解释光交叉通过而彼此不发生干扰的问题，但波动说不能解释光的直线传播。微粒说与波动说争论不休，基于当时的实验条件及方法，无法用实验事实判断两种学说的优劣。因为微粒说能够自然地、直观地说明光的直进现象，所以较易为人们所接受。在物理学上，牛顿是绝对的权威，因此，在他死后大约一百年，粒子论甚嚣尘上，而波动论则被人们遗忘了。波动光学的兴起在牛顿1704年
14、出版光学一书以后，差不多相隔整整一个世纪（光学包括对光的本性的认识）进展不大，过去都把这一切归罪于牛顿的威望。到了十九世纪光学的发展才有所突破，特别是物理光学的发展得到了长足的进步，开始了波动光学的英雄时期；这一时期从1800年一直持续到十九世纪三十年代，而这一发展主要发生在英国和法国，其代表人物是托马斯扬和菲涅耳。 托马斯杨十九世纪法国科学家托马斯杨系统地解决了有关波动的数学问题，同时光的双缝干涉实验的结果也支持了光的波动说。英国物理学家兼医生1773年6月13日生于萨默塞特的米尔佛顿；1829年5月10日卒于伦敦。 扬是一个神童。他两岁能读书，四岁就已两次通读圣经。他在青年时期，就学会了十
15、几门外语，不仅包括希腊语、拉丁语和希伯来语，而且还有阿拉伯语、波斯语、土尔其语和埃塞俄比亚语。他还能演奏包括风笛在内的多种乐器。他是那种成人后仍是天才的最佳神童，在剑桥人称“奇迹扬”。有钱的叔父死后，他便在剑桥过起富裕闲适的独立生活。 杨开始学医，并在爱丁堡大学年迈的布拉克“指导下修业。后来他去德国，并于1796年在戈丁根大学取得博士学位，遂于二799年在伦敦开业行医。从1801年到1803年期间，扬在朗福德伯爵新创办的皇家学院讲授自然科学，1802年被任命为皇家学会的外交秘书。 由于扬对病人缺乏和蔼体贴的态度，所以他作为一名医生并不成功。 扬对感官知觉发生了兴趣。他第一个发现（还在学医时冲已
16、球晶状体在注视距离不同的物体时改变形状的方式。1801年，他叙述了散光的原因，认为视觉模糊是由角膜曲率不规则引起的。 从研究眼睛走向研究光本身是自然而然的一纸一个多世纪以来，关于光是由粒子组成还是由波组成的争论一直没有停息。粒子论者在争论中占很大优势。反对波动说的一个最重要的根据是光投影清晰，不象声波那样能绕角行进。也有一些人提出，波长越短，拐弯能力就越小；因而提出光的波长可能短到使拐弯极其微小的程度。事实上，格里马尔迪在一个半世纪以前就已发现这种微小的弯曲，但他的观察却被大家忽视了、因此，以更加戏剧性的方式论证光的波动性质，便成了扬的任务。扬于1803年实现了此项证明。他让光透过极窄的缝隙，
17、结果并不是看到缝隙的清晰影象，而是看到了一条条光带。这些光带是由格里马尔迪曾注意到的那种绕角衍射引起的，这是粒子说所不能解释的。 扬还有一个更加有力的根据。他通过声学研究，对拍这一现象发生了兴趣。所谓拍，就是不同音调的两个声音合在一起时，使声音时断时强的效果。这一点很容易解释，因为两种音调波长不同，因而就不能步调一致。两种声波最初可能暂时同步，两个波峰就互相加强而产生强声。然后，这两个声波又失步，这时，一个波将空气分子推向一个方向，另一个波又将空气分子推向相反方向，结果空气分子不动无声。 那么两种光波相加，会不会产生暗区呢？如果光是粒子，就不眠如果光是波，就能产生暗区。扬让光束通过两个小孔，透
18、过的光便散开重叠。重叠区并不是一个简单的强光城，而是形成一种亮暗交错的条形图案，与声学中的拍完全相似。这个现象称为干涉。 扬的工作最初在英国遭到很大的敌视主要由一个私敌亨利布鲁厄姆的敌意所致。加之他用的数学艰深，叙述也嫌含糊；又由于粒子论是牛顿提出的，是地地道道的“国货”。因此，英国物理学家抵制粒子论，还是有心理上原因的。当然，在英国也有人支持他，如沃拉斯顿。（民族自尊心常常在科学上起着作用几乎总是起一种有害的作用。）所以继续扬的这一工作的是法国人菲涅耳和阿拉戈。他们证实了扬的研究成果，击败了粒子说。（如果不是永远，也至少有将近一个世纪。） 杨根据其衍射实验能够得到可见光的波长，这只需要算出什
19、么样的波长能产生出观测到的弯曲度便可以了。算出的波长确实很小，还不到百万分之一米。 扬对光的兴趣，又导致他考虑色彩的感觉方式。他第一个提出，各种不同的颜色，不一定需要有各种不相同的生理机能才能感觉到。只要有几种比如，红、绿、蓝三种颜色的感觉机能就够了。以不同比例混合这三种颜色，就会产生无穷无尽的各种颜色。半个世纪以后，亥姆霍兹进一步提高了这个理论。因而，人们通常把它称为扬亥姆霍兹三色论。 即使承认光波的存在，关于光仍然还存在一个重要问题：光波是什么类型的波呢？它可能是水的表面波那样的横向波，与整个波列的前进方向成直角地振动；或者可能是声波那样的纵向波，振动的方向与波列行进的方向相同。光的波动说
20、的所有早期拥护者，尤其是惠更斯，几乎都认为光波当然是纵向波，扬起初也这样认为。但是纵波说解释不了巴托林首先注意到的双折射现象。1817年，扬在给阿拉戈的信里写道，光波必定是横向波，才可以解释双折射现象。在这点L，扬是正确的。 扬除了对光感兴趣外，对能的形式也感兴趣。他于1807年首先赋予能这个同以现代意义，即定义能量是使某系统可以做功的特性，并指出能与物体质量和其速度的平方的乘积成正比。同一年，他还引用朗福德的实验来驳斥热质说。然而，如今该轮到法国物理学家感到难以舍弃拉瓦锡发明的“国货”了。直到半个世纪以后，热质说才被英国人麦克斯韦推翻。 扬还在促进了解液体表面张力方面做出了贡献，以及对弹性物
21、质的本质有所揭示。在表示弹性物质特性的方程中所用的一个常数，现在仍然称为扬氏模量。 好象这些丰富多彩的活动还不够似的，扬还为大英百科全书撰写了许多各类的文章。他的才能越出了物理和生物这两门学科，甚至还研究了古埃及人的楔形文字这个难题，并曾先在解释这种文字上做出成就1818年，这位医生兼物理学家竟写出一篇关于埃及的权威性论文，使当时那些专业历史学家相形见绌。一束光穿过两个十分靠近的小孔投射到一个屏上时，会发生一系列明暗交替的条纹，这就是光的干涉。干涉现象是频率和振动方向相同，并有恒定位相差的两列波相遇时所特有的现象。两束光波在屏上相遇时。不是简单的强度相加，而是在两列波位相相同处振动加强，即振幅
22、相加出现亮条纹，在另一些地方两列波位相相反，振动减弱，振幅相减出现暗条纹。因此屏上会出现明暗相间的条纹。从干涉条纹的测量中，可以算出光的波长，光的波长是很小的，通常我们用做单位。I等于一亿分之一（108。）厘米。不同颜色的光有不同的波长，我个肉眼可以观察到的光称为可见光，约在40007000，紫光的波长约为 4000，红光的波长约为7000。衍射也是波的一种特有的现象。波在传播过程中，绕过障碍物的边缘或孔隙时所发生的现象称为衍射。例如室内的讲话声能绕过门窗而达室外，这就是声波的衍射现象。我们日常生活中看到光遇到障碍物时只投下一个清晰的影子（这正是光直线传播的现象人却没有观察到衍射现象。但事实并
23、非如此，光只有通过那些大小与它波长相近的障碍物时才会产生衍射，而光波的波长比日常生活中所见的普通物体的尺寸要小得多，甚至连细菌的尺寸也比光的波长大得多，因此平时光只表现出直线传播的方式，而不易观察到它的衍射现象。当障碍物的尺度小到能与光波长相比拟时，光也象声波一样会绕过它产生衍射图样。1818年菲涅耳用实验作了证实。菲涅耳 法国物理学家。1788年5月10日生于诺曼底，厄尔的布罗格里；1827年7月14日卒千 巴黎附近的维日阿布日里。 菲涅耳完成了杨关于光的波动说的研究。但菲涅耳这个建筑师的儿子不象扬那样是个神童，恰恰相反。他到了八岁才能认字。然而他的才智随着年岁的增长日趋卓绝。他成了土木工程
24、师，一生中主要在政府中供职。1814年曾有过短期中断那是由于他反对拿破仑从厄尔巴岛流放地复辟回朝，因此被关进监狱，失去了职务。可是拿破仑复辟仅一百天，便以滑铁卢惨败而告终。菲涅耳遂得以复职。 大约在1814年，菲涅耳渐渐对光的问题发生兴趣，独立地做了扬在十年前所做过的一些实验。阿拉戈读了菲涅耳的报告就转向波动说。他叫菲涅耳注意杨的类似成果，从而加速了菲涅耳的研究。这位法国人开始为波动说建立一个完善的数学基础。 惠更斯在一个半世纪以前就建立了一部分有关的数学基础，但菲涅耳比他进了一步。譬如，惠更斯及其以后的所有波动说者（但胡克除外，他的随心所欲的推测曾多次打中目标）都认为，如果光波存在，就应是纵
25、向的，即象声波一样，在传播路线上前后振动，扬最后提出光被可能象水的表面波一样是横向地，即与传播路线垂直地振动。菲涅耳立即采纳了横波观点，并为这种观点建立了必要的理论基础。横波说的最大胜利是解释了巴托林所发现的光通过冰洲石时的双折射现象。无论是粒子说还是纵波说，都不能解释这种现象，然而横波说却能够解释它。菲涅耳指出，光可通过两个不同角度折射，因为一道光线是在某个平面内振动的波，而另一道光线则是在与第一个平面垂直的平面内振动的波。因此，在一定条件下，这两道光线理应具有不同性质因此被某此固体以不同程度折射。按照菲涅耳的观点，普通光是由以垂直十传播路线的所有可能的方向作相同振动的波组成的；如果振动方向
26、分布不均匀，就是偏振光马吕斯起先不治当地称它为“极化光”；当振动只限于单个平面时，如通过冰洲石的光线，这种光就称作平面偏振光。 菲涅耳用这一新观点设计了灯塔用透镜，这种透镜比其所取代的反光镜有效得多。此外，对偏振光的认识，通过一代人以后巴斯德“的研究，使它在有机化学中获得重要的应用。 阿拉戈和菲涅耳合作了一段时间但当后者采纳横波说时，他就胆怯地退缩不干了。后来他回心转意但菲涅耳却已单独公布了他的成果并独自获得了荣誉。 使阿拉戈惊恐的困难是，如果光的确是波，就应当存在某种充当振动角色的物质。早期的波动说论者假定有一种充满空间及所有透明物质的“以太”。光就是这种以太中的波。以太就以载着光通过似乎是
27、一无所有的真空，因此称之为“光载以太”；（“以太”一同来自亚里士多德”，他认为它是构成天体的第工原质） 如果光波是纵向的，便可将以太看成一种象气体例的十分稀薄的物质用普通仪器测不到。这样接受这种观点便没有什么困难，或者至少不会比接受道尔顿的不盯测原子的观点更困难。但是，横向波只能透过固体而如果光波是横向的，就应将以大视为一种固体，而已就光的速度判断，以大还应当是一种非常坚硬的固体。假使那样，行星怎么能通过以大而未受到任何可觉察的妨碍呢？因此，象布鲁斯特等人认为，与其接受这样一种以太，不如干脆拒绝接受波动说。因是柯西的观点能够被其他人接受，但菲涅耳的研究成果普遍为物理学家们所接受，梅伦尼则将它扩
28、展到可见光谱之外。 菲涅耳因其研究成果在去世半年前获得了英国皇家学会颁发的朗福德奖章。 虽然如此，波动说也存在重大的缺点。振动的传播必须要有弹性煤质，传播光的煤质是什么呢？我们能看到遥远大空中闪闪发光的星，却永远也听不到地球之外任何地方无论多响的爆炸声，这说明光可以通过真空传播，也即传播光的煤质存在于真空之中。当时为了自圆其说，不得不臆造一种“以大”介质。这种“以大堤一种无孔不入的煤质，它不仅充满整个宇宙，还渗透于切物体之中。不仅如此，光的偏振性实验说明了光是一种横波，物理学理论指出，只有固体才能传播横渡，那么“以太”必须是一种固体，这种“固体以太”必须极端坚硬，才能以光速那样巨大的速度传播光
29、。总之，“以太”是一种极为神秘的难以想象的物质，用它作为传播光的煤质，给波动说本身带来了不可克服的困难。泊松光班的由来 法国著名物理学家菲涅耳是光的波动学说的先驱，他以高超的实验技巧和杰出的数学才能建立了光的衍射实验和理论，从而稳固地确立了波动学说在物理学史上的地位1814年，菲涅耳开始致力于光的本性的研究，他再空重现了托马斯扬于1801年建立的光的双缝干涉实验，并用惠更斯于波原理对这一现象做出了完美的解释与此同时，他开始研究小孔衍射的问题。 1817年，法国科学院举行一次关于光的本性问题的科研成果最佳论文竞赛，菲涅耳加紧了研究工作；他在他弟弟的帮助下，成功地提出了惠更斯菲涅耳原理（后人的称呼
30、），并利用这一原理出色地解释了光的直线传播规律，提出了光的衍射理论的子波解释，并于1818年提交了论文科学院成立了一个评委会，评委会的成员中有波动说的支持者阿拉果。有波动说的反对者泊松、毕奥、拉普拉斯、有中立者盖吕萨克尽管不少成员不用信菲涅耳的观念，但是最终还是被菲涅耳数学上的巨大成功及其与实验上的一致性所征服，并杆子地优胜奖油松想推翻菲涅耳的观点，就借助下坡动理论对衍射理论进行了详细的分析他发现：用一圆片作为遮挡物时，光屏的亮斑中心应出现一个亮点（或者用圆孔做实验时，应该在圆孔的中心出现一个暗斑）。这是令人难以泪信的事实，过去也未曾有人见到过菲涅耳又经过严密的数学计算后发现，只有当这个圆片的
31、半径很小时，这个亮点才比较明显（或圆孔很小时，暗斑明显）事后，菲涅耳和阿拉果精心设计了一个实验、确认了这一亮斑的存在，证明了这一预言的正确性。 这个初看起来似乎是荒谬的结论，是泊松一研究菲涅耳论文时把它当作谬误提出夫的，但却成了支持波动说的强有力的证据后来人们为了纪念这极有兴趣的事实，就把衍射光斑中央出现的亮斑（或暗斑）称为“泊松光斑”十九世纪英国物理学家麦克斯韦天才地总结了所有当时已知的关于电磁学的经验知识，把它们总结为一组数学方程麦克斯韦电磁方程组。它有两种形式：微分形式和积分形式。从方程组出发，麦克斯韦预言了电磁波的存在。麦克斯韦理论表明：变化着的电场和磁场以每秒30万公里的速度在真空中
32、传播，即电磁波的传播速度恰好等于光速，于是他大胆预言光也是一种电磁底1888年赫兹用实验证实了电磁波的存在，但是电磁波理论的基础还需要用所谓“电磁以大”为煤质，只是它代替了“机械以大”。 从麦克斯韦电磁理论确定以后，除了用实验来证实“以太”的存在之外，光的波动理论似乎已可以圆满地解释一切有关光的传播现象。光在一些场合下表现为波动，而在另一些场合下又以“粒子”的面貌出现，这就是通常人们所说的“光波”和“光子”。上面说过，这种波粒二象性也是近代物理学对微观世界中粒子的一种描述。 电磁理论把光看成是一种具有一定频率、在空间传播的交变电磁场电磁波，即“光波”。量子理论则认为光是由一份一份的粒子“光子”
33、组成的。用“光波”和“光子”，即电磁理论和量子理论，已经可以精确地解释光学现象，从这方面看。可以说人们对光的本性已经很好地了解了。 十九世纪末，许多人认为经典物理学已发展到可以解释一切的程度，除了漂浮着两朵小小的乌云外，物理世界是一片清澈的晴空。这两朵乌云就是两个理论上没有能得到满意解释的光学实验：迈克尔逊莫雷关于“以太”运动的实验和黑体辐射。迈克尔逊莫雷的实验是：使干涉仪光束的方向和地球运动的方向成各种不同的角度，观察两束光返回迭加时形成条纹的变化，条纹的变化相当于位相差的变化，以此来确定“以太”的运动。多次结果表明，无论光束处于什么方向，干涉条纹丝毫都不变化，即测得的光速总是一个常量。这不
34、仅否定了“以太的存在，而且否认了“绝对空间”和“相对空间”的存在，一从根本上动摇了经典物理学的基础，导致了相对论的产生另一朵乌云就是黑体辐射，这是与光的发射有关的一个实验。用经典的理论不能解释实验得到的辐射能量按波长分布的关系。1900年三普朗克引用物质结构理论中不连续性的概念，提出了辐射的量子论。认为各种频率的电磁波（包括光），辐射的能量也是不连续变化的，它是由一份一份的能量单元组成的，每一份能量单元称为量子，辐射能量的增加或减少，都是这种最小单位即量子的整数倍。光的量子简称“光子”，而且这种量子的能量只与光的频率有关，与频率成正比，频率越大，则波长越短，能量就越大，因此紫光的量子能量比红光
35、大。 量子能量与频率的关系就是著名的普朗克公式E=h，是光波的频率，E是量子的能量，h为普朗克常数。这种认为电磁波的能量是以不连续的量子的形式辐射或吸收的假设，与古典物理学的看法大相径庭，它不但容易解释黑体辐射能量分布问题，而且以全新的方式给光与物质相互作用的问题，提供了解决的途径。量子这一概念是近代物理的重要标志之一。 麦克斯韦电磁理论无法解释光电效应，而爱因斯坦用普朗克的量子理论圆满地解释了光电效应，由此证明了光量子的存在。爱因斯坦认为，要使电子吸收足够的能量脱出金属表面，所射入的光量子必须有一个最低的能量限度。有些金属原子对电子的束缚力很弱，而另一些则较强。对于束缚力较弱金属的电子只要用
36、量子能量较小的，也即频率较小的光（如红光）去照射就能打出电子。而对束缚力强的金属就要用量子能量大的光（如紫光）去照射。光强越强，即光量子数越多，打出的金属电子也就越多。对同一种金属，用不同频率的光量子打出的电子速度不同，紫光打出的电子速度就比红光打出的大。由于这方面的成就，爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理学奖 现代物理认为：光既有波动性又有粒子性，这种在不同条件下分别表现为波动和粒子的性质，称为“波粒二象性”。光在传播过程中主要显示出波动性，可以用电磁波理论来解释，而在光的发射和它与其他物质作用时，光显示出粒子性，遵从于量子理论，它以光量子的形式穿过真空。我们从光子运动的统计规律中，能够了解到波动的结果，而从电磁场的量子化，又可以了解到光的微粒性行为。 对光本性的研究有重大的理论意义，它加深了我们对客观物质世界的认识促进了新理论的产生。因此对光本性的探索至今仍是物理学研究中的一个重要方面（上式为菲涅耳衍射公式） （图为各种光孔的远场的衍射图片）