光的本性

　　很久以來，人們對光就進行了各種各樣的研究。光到底是什么東西呢？這個問題困擾了許多有才智之士。古希臘哲學家們認為光是高速運動的粒子流。凡是發光的物體，例如太陽，都能發出這樣的粒子流。當這些微小的粒子流接觸到眼睛上時，就引起了人們對光的感覺。

　　對于光的研究在以后很長的年代里沒有進展，直到偉大的科學家牛頓，才開創了一個光學研究的新世紀。牛頓在他的工作室里，用三棱鏡把白光分解為從紅到紫的七種色光。這是人類第一次看到光的奧妙。白光并不是單一的，而是幾種不同色光的復合。進一步的研究使牛頓提出著名的光微粒說：光是由極小的高速運動微粒組成的；不同色光有不同的微粒，其中紫光微粒的質量最大，紅光微粒的質量最小。利用這種學說牛頓解釋了光的折射、反射和上面描述的色散現象。

　　微粒說合乎人們的日常直觀心理要求。由于光是直線行進的，人們很容易相信光是粒子流。而且由于牛頓的巨大聲望，微粒說一時獨領風騷。但在牛頓的同時代人中亦有人大力批駁微粒說，荷蘭人惠更斯(1629——1695)于1678年提出波動理論來解釋光的本性。他認為光的微粒理論無法解釋光線可以相互交叉通過而互不影響，但這卻是波的基本性質。利用光的波動理論也很容易解釋光的反射與折射現象。那么，到底光是波還是粒子呢?

　　到十九世紀初期，發現了光的干涉、繞射和偏振現象，這些行為只適合于光的波動理論解釋。同時，若根據微粒理論，光在水中的傳播速度要大于光在空氣中的傳播速度，而根據波動理論計算的結果則正好相反。在牛頓和惠更斯時期，人們還無法精確測量光速，因此無法用實驗判定兩理論的正誤。但到了十九世紀，科技水平和實驗技巧都大大發展，因此在1862年福科測得了光在水中的傳播速度，證實了其小于光在空氣中的傳播速度。這時光的微粒說基本上是徹底被放棄了。到1863年麥克斯韋發表著名的電磁理論，揭示了光波其實是電磁波的一種，這時波動理論的最后的一個難題——傳播媒質問題也被解決了。按照傳統的機械波理論，光振動是在彈性媒質中的一種機械振動。由于光速極大，人們不得不臆造一種彈性極大但密度極小的媒質“以太”，作為光傳播的媒質而散布在宇宙空間。可是，任何實驗都測不到以太的存在，而假定它的存在卻引起了許多麻煩。從而，“以太”成了波動理論之一大難題，是欲棄之而不能的“雞肋”。但麥克斯韋的理論告訴我們，電磁波的傳播不需要媒質。變化的電場產生變化的磁場，變化的磁場產生變化的電場。這樣，變化電磁場的交替產生就構成了電磁波由近及遠的傳播。因此，如果我們把光視為一種電磁波，則“以太”難題就迎刃而解了，因為根本就不需要它，丟掉這塊“雞肋”一切就解決了。

　　麥克斯韋理論完美地解釋了當時已知的所有光學現象。但從十九世紀末起，卻發現了一系列令人困惑的新的實驗結果。這些結果共同的特點是，他們無法用麥克斯韋理論來解釋。其中最典型的是光電效應實驗。

　　光電效應是由赫茲（H.R.Hertz，1857一1894）在1887年發現的。研究光電效應的裝置如圖所示，在一個抽成高真空的玻璃小球內，內表面上涂有感光層(陰極K)，陽極A可做成直線狀或圓環形。當單色光通過石英窗口照射到陰極K上時，有電子從陰極逸出，這種電子叫作光電子。如果在A、K兩端加上電勢差U，則光電子在加速電場的作用下飛向陽極，形成回路中的光電流。光電流的強弱由電流計讀出。像這種金屬受到光的照射而放出電子的現象就稱為光電效應。

　　光電效應實驗使傳統的光學理論受到嚴峻考驗。偉大的愛因斯坦于1905年提出光量子說來解釋該實驗。想法是革命性的，即認為光是一束束以光速運動的粒子流，每一個光粒子都攜帶著一份能量。光量子說受到普朗克量子說的很大影響。普朗克在解釋黑體輻射問題時認為光在發射和吸收過程中具有粒子性。愛因斯坦則進一步認為光在傳播過程中也具有粒子性。

　　光一方面具有波動的性質，如干涉、偏振等；另一方面又具有粒子的性質，如光電效應等。這兩方面的綜合說明光不是單純的波，也不是單純的粒子，而是具有波粒二象性的物質。這是認識上的不斷加深而得到的結論。應該注意這也還不是最后的答案。對于光的本性，雖然經過這么多年的探索，我們所知道的也的確是太少了。光到底是什么?是在某一時刻表現為粒子，而在另一時刻表現為波?還是完全不同于我們現在所知的某種物質?這些問題也是當今的科學家們在苦苦思索的問題。

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