《人類科學技術史-233》16-17世紀光學（下）

16-17世紀光學（下）
4.惠更斯及其波動說

惠更斯是荷蘭著名天文學家、物理學家和數學家，他也是通過天文學而接觸光學的。當巴黎科學院在1666年創立時，即以重要職位和待遇聘任惠更斯為巴黎科學院院士。

在光學中，惠更斯早年在研制望遠鏡等光學儀器時，已比較系統地研究過幾何光學。來巴黎后，他的光學研究逐漸從幾何光學轉到物理光學方面。

后來，他去英國旅行，在劍橋大學會見了牛頓，他們互相介紹了自己對于光的本性的初步看法，那時，雖然惠更斯尚未建立起系統的光波系統學說，但已傾向于格里馬第和胡克等人的觀點，認為光是一種波。這樣，在光的本性問題上，惠更斯與牛頓明顯地發生了分歧。返回巴黎后，惠更斯重復了牛頓的一些光學實驗，通過這些光學實驗，特別是"牛頓環"實驗與格里馬第實驗，惠更斯進一步認定，這些實驗事實用微粒說無法解釋。他還以生活中的光現象為例進行了分析，他說，如果光線是微粒組成的，那未光線在彼此交叉時，它們就會互相碰撞，互相碰撞就會改變方向，但生活中并未見到這樣的光線現象。在研究"牛頓環"實驗與格里馬第實驗基礎上，惠更斯提出了它的一種比較系統的的光波學說。

惠更斯認為，光是一種機械波，這種機械波是由光波的振動而發出的。可是，這隨即產生了另一個問題，即如果光是一種機械波，那么它必然有相應的載體。水波的載體是水，聲波的載體是空氣，光波的載體是什么呢？為此，惠更斯提出了他的光波學說的第二個要點，即光波是一種靠物體載體來傳播的縱向波，傳播它的物體載體是"以太"。在提出上述兩個要點之后，惠更斯還就光波本身的傳播規律進行了研究。他認為，波面上的各點，本身就是引起媒質振動的波源。他把由波源振動發出的波稱為子波；而把發出于波的波稱為原波。子波由原波發出后，形成新的波面，新的波面形成后即成為原波，原波又發出子波，如此持續傳播下去。這就是他用以解釋光的傳播規律的著名的惠更斯原理。

根據上述原理，惠更斯較好地解釋了波在媒質中的傳播規律。運用這一原理，可以推導出光的反射定律和折射定律，可以解釋光在晶體媒質中的雙折射現象，可以解釋光的衍射現象，也可以解釋實為光的干涉的"牛頓環"現象。

這樣，一個由上述三個理論要點為基本內容的光波學說，就由惠更斯基本上建立起來了。光的波動說雖然不是惠更斯最先提出來的，但卻是由他最先給予理論總結的。所以，從此惠更斯就成了光的波動說的代表人物。

1678年，惠更斯向巴黎科學院提交了他的光學論著《光論》。同年，他還以光的波動論為基本內容，在巴黎科學院年會上作了反駁牛頓的光的微粒說的著名講演，這樣，波動說與微粒說的第二次論爭，便在惠更斯與牛頓之間爆發了。

5.牛頓及其微粒說

惠更斯于1678年在巴黎科學院所作的反駁微粒說的講演內容不久以后即傳到英國，《光論》一書在1690年出版后也傳到了英國。針對惠更斯的觀點，牛頓以他的光的色散實驗為基礎，進一步發展了他的微粒說。與此同時，牛頓開始修改和充實他在1675年前后動手寫作的主要光學著作《光學》。

在《光學》中，牛頓反駁了惠更斯的波動說，對他的微粒說進行了系統的理論解釋。在反駁惠更斯對冰洲石(亦稱方解石，但它實際上是方解石CaCO3的無色透明的亞種）的雙折射現象所作的波動說的解釋時，牛頓說："就我所知，到目前為止還只有惠更斯一人，試圖用擠壓或運動的傳播來說明冰洲晶石中的非常折射，為此他假設在這種晶體中有兩種不同的振動媒質。"他對惠更斯的這一假說進行反駁后接著說："對我來說，假如光僅僅是在以太中傳播的擠壓或運動，那末這似乎也是解釋不通的。"在《光學》中，牛頓主要以光的反射和折射現象為基礎，堅持了他對光的本性所作的微粒說的解釋。他說："光線是否是發光物質發射出來的很小的物體？因為這樣一些物體能直線穿過均勻媒質而不會彎到影子區域里去，這正是光的本性"，"為了說明光線一陣容易反射、一陣容易透射的猝發現象，我們并不需要別的，而只要把光線看作是微小的物體，這些微粒用它們的吸引力或某種其他的力在它們對之作用的物質中激起振動，這些振動比光跑得快，連續不斷地趕上光線，并激動它們，乃至輪流地增加或減少它們的速度，從而使它們處在一陣一陣的猝發狀態之中。"在《光學》中，牛頓不僅以微粒說作為他的光的本性問題的理論基礎，而且把他的物質微粒觀念推廣到所有自然現象之中，并因此與他的整個質點力學體系融為一體。他在推論物質微粒的種種特性后說："所有物質的東西似乎都是由上述這些堅硬的固體粒子所組成，都是依照一個智慧者的意愿在第一次創世時通過這些粒子的不同組合造出來的。"這樣，牛頓就把他的光的微粒說與他的整個機械自然觀也融為一體了。

牛頓的《光學》共分三編。第一編主要論述光的傳播問題，第二編主要論述光的顏色問題：第三編主要以格里馬第實驗為基礎，論述光的折射現象。最后以一系列的問題為結尾，論述了他的以物質微粒觀念為基礎的機械自然觀。《光學》一書，表明牛頓在論述他的微粒說時，也曾吸收波動說的某些觀念，并試圖解決微粒說與波動說的論爭，最終把兩種理論統一起來。

牛頓的微粒說盡管有其局限性的一面，但在探索光的本性的認識道路上，它與波動說同樣是一個重要的里程碑。因為關于光的本性的波動性與粒子性的認識，人們直到二十世紀初才得以在波粒二象性的基礎上統一起來。

可能為了避免與英國的波動說的代表人物胡克再度引起論爭，牛頓的《光學》完成后一直未出版，直到胡克在1703年去世之后，牛頓的《光學》才在1704年公開出版。在《光學》公開出版之前，波動說主要代表人物惠更斯早已于1695年去世。惠更斯和胡克相繼去世之后，波動說的一方無人能與牛頓進行論爭，同時由于牛頓本人的科學聲譽越來越高，牛頓的微粒說也就因此成為處于支配地位的學說。

作為光學的早期經典著作之一的《光學》影響了長達兩個多世紀的光學進展。直到本世紀初，當牛頓的《光學》再版時，愛因斯坦(1879-1955年）在為該書作序時還說："誰要有閑暇和寧靜來讀這本書，就會重新生活于偉大的牛頓在他的青年時代所經歷的那些奇妙的事件當中。對于他，自然界是一本打開的書。"愛因斯坦的這一評述，除了在一定程度上揭示了牛頓在光學中所遵循的方法之外，也在一定程度上說明了牛頓的《光學》在出版后所產生的深遠影響。在整個18世紀，除了瑞士數學家約翰.貝努利和歐拉等人堅持光的波動說之外，絕大多數人都成了牛頓的微粒說的信徒。

以牛頓為代表的微粒說和以惠更斯為代表的波動說之爭，是一場影響深遠的科學論爭，正是由于這場論爭，在近代光學史上正式揭開了波粒之爭的序幕。

6.楊氏及其波動說

到了18世紀末，隨著以天體演化學說為旗幟的科學思想的進一步解凍，光學開始慢慢地恢復一些生機。到了19世紀初，使人們意想不到的是，以惠更斯為代表的光的波動說在沉寂了一個多世紀之后，又奇跡般地復興起來，這個在新的世紀中復興光的波動說的開拓者，是英國著名物理學家托瑪斯.楊氏(1773-1829年）。

楊氏是一位類同于法國百科全書派式的學者。1795年，楊氏在哥庭根大學獲醫學博士學位。在德國自然哲學思潮的影響下，楊氏對牛頓的光學理論產生了最初的懷疑和動搖。他根據自己的一些初步的實驗事實，在1800年寫成了一篇題為《關于光和聲的實驗和問題》的論文，表示對惠更斯的光的波動說表示贊同，對牛頓的微粒說表示懷疑。他說："盡管我仰慕牛頓的大名，但我并不因此非得認為他是萬無一失的。我……遺憾地看到他也會弄錯。而他的權威也許有時甚至阻礙了科學的進步。"在當時牛頓的理論尚居于權威地位的情況下，他能對牛頓作出如此大膽的議論，確實是需要一些膽略與氣魄的。

在文中，楊氏對光現象與聲現象進行了類比分析，他從所觀察到的聲波在重迭時有加強或減弱這種現象出發，認為光也有這種類似的特性，并進而認為光也是一種波。這是在光的波動說沉寂一百年之后，人們首次提到光的波動說。

1801-1804年間，楊氏出任英國皇家學院物理學教授，講授數學物理方程。在這一時間內，他完成了對光的干涉現象和干涉理論的研究。

楊氏雖在1800年重提光的波動說，但當時他尚缺乏實驗證據。因此，他決定設計出一種實驗，以證實光的波動說。他從對聲波的干涉現象的研究出發，認為干涉是波所特有的性質。他設想，要切實證明光是一種波，就必須證實光是否也發生干涉現象。

1801年，楊氏進行了一個觀察光的干涉現象的實驗。他把一個點光源放在一塊不透明的屏后，當點光源發射出的光線通過屏上的兩個鄰近的狹縫時，即在另一塊屏上產生明暗交替的黑白條紋。這說明，當兩束光線相干時，光線既可能加強，也可能相互抵消。很顯然，這是一種類似于聲波和水波的波的干涉現象。波在傳播時，當兩列波的波峰與波峰重疊、波谷與波谷重疊時，兩列波相互加強；而當兩列波的波峰與波谷、波谷與波峰重疊時，兩列波相互抵消。屏上所以出現明暗相間的黑白條紋，正說明光也發生了波的干涉現象，并由此說明光是一種波。

由于光的波動說自己成功地解釋了光的這種干涉現象，而光的微粒說則對此無能為力。這樣，楊氏就以光的干涉現象這一判決性的實驗事實，對光的波動說作出了有力的證實。

在光的干涉現象的實驗基礎上，楊氏于同年在英國皇家學會的《哲學會刊》上發表論文，一方面介紹了他所進行的光的干涉現象的實驗，另一方面也對他所進行的光的干涉實驗與牛頓所進行過的"牛頓環"實驗進行了理論解釋。在這篇論文中，楊氏首次提出了光波的干涉概念，并同時提出了光的干涉定律：來自同一光源的兩束光線，當其方向平行或接近平行，且其路程差等于波長的整數倍時，光線互相加強；在其相干部分的中間態上，光線最強。在文中，楊氏還指出了相干光與不相干光的區別，公布了他首次近似測得的光線的波長，指出了不同色光的波長各不相同，并以光的波動說為基礎，提出了人的視覺理論。

此后，楊氏又對光的波動說進行了一些新的實驗和理論研究。1803年，他又寫了一篇題為《物理光學的實驗和計算》的論文，依據他的光的干涉定律，對光的衍射現象作了進一步的理論解釋，認為衍射實際上是直接通過衍射縫的光波和邊界波的干涉。這篇論文于1804年發表于英國皇家學會的《哲學會刊》上，盡管楊氏在文中對光的衍射現象所作的理論解釋尚不十分成功，但他卻以此進一步擴大了光的波動說的理論影響。

由于楊氏在英國復興了原來形成于法國的光的波動說，這就刺激了牛頓學派，特別是法國的牛頓學派對光學的研究。拉普拉斯(1749-1827年）、馬呂斯(1775-1812年）、阿拉戈(1786-1851年）等人，即是法國的牛頓學派的代表人物。拉普拉斯在1808年用光的微粒說對光的雙折射現象進行了分析，并在同年寫出了對楊氏的光波學說進行駁難的論文。1809年，馬呂斯在一次實驗中發現了光的偏振現象，而惠更斯的光波說曾以為光波是一種縱波，但縱波不可能發生偏振現象，所以，馬呂斯認為，這一新的實驗事實的發現，是證實牛頓的微粒說的有力的實驗證據。1811年，阿拉戈也發現了光的偏振現象，并發現偏振光在通過晶體時，能產生豐富的彩色現象。

與此同時，英國的牛頓學派也活躍起來，布呂斯特(1781-1868年）則是英國的牛頓學派的代表人物。1811年，他對法國的牛頓學派所發現的光的偏振現象進行了研究，他在實驗分析中發現，反射光的偏振的程度，決定于入射角。當反射光呈全偏振時，反射線與折射線成直角，反射角的正切等于折射率。這樣，他就找到了一個有關偏振現象的經驗定律，從而在幾何光學的基礎上對新發現的光的偏振現象作了數學上的論證。

光的偏振現象與偏振定律的發現，最初確實顯得對光的微粒說有利。在微粒說的駁難下，楊氏對偏振現象也進行了實驗分析和理論探索，經過幾年的努力，他發現，如果光波不是像聲波那樣沿著運動方向振動的縱向波，而是像水波或者像拉緊的琴弦那樣垂直于運動方向的橫向波的話，即可用光的波動說對光的偏振現象作出解釋。

1817年，楊氏放棄了惠更斯認為光波是一種縱向波的理論，而提出了光波是一種橫向波的假說，從而對光的偏振現象作出了較為成功的解釋。同年，楊氏寫信給阿拉戈，在信中，楊氏以光波是一種橫向波為新的理論基礎，并吸取了牛頓學派發現的偏振現象與偏振定律方面的成就，對光波學說進行了新的論證，并對光的微粒說提出了新的駁難。

以后，波粒之爭進入了新的高潮，由于菲涅耳(1788-1827年）成功地進行了新的光的干涉實驗，使波動說在與微粒說的對比中，占據了明顯的理論優勢，但波動說的勝利并非波粒之爭的終結。到了19世紀后期，新的光學問題又使波動說陷入新的理論危機。直到本世紀初，當德國著名物理學家普朗克和愛因斯坦提出了光的量子說以后，光的波粒之爭才在新的實驗基礎與新的理論基礎上，以光的波粒二象性的理論統一起來。