光的另一面：光的本性一

一、概述人类对光本性的认识经历了一个非常曲折、漫长的过程，这其中不仅仅使我们获得了很多知识，更重要的是对科学精神和科学发现的理解，下面我们就来聊聊关于光的另一面：光的本性一?接下来我们就一起去了解一下吧!

光的另一面：光的本性一

一、概述

人类对光本性的认识经历了一个非常曲折、漫长的过程，这其中不仅仅使我们获得了很多知识，更重要的是对科学精神和科学发现的理解。

墨子和他的学生做了世界上最早的“小孔成像”实验，并对实验结果作出了光沿直线传播的科学解释，并用此原理解释了物体和投影的关系。古希腊数学家欧几里德（公元前330-公元前275）在他的《光学》著作里总结了到他那时为止已有的关于光现象的知识和猜测。那时的人们已经知道，在眼睛和被观察物体之间行进的光线是直线；当光线从一个平面反射时，入射角和反射角相等。托勒密最早做了光的折射实验。托勒密在他的最后一本重要著作《光学》中提出和说明了各种基本原理，他依靠经验发现了折射的规律，绘出了光线以各种入射角从光疏媒介进入水的折射表，但没有由此得出精确的折射定律。英国科学家罗吉尔·培根（1214-1293）对于光学的研究极为深刻，他通过实验研究了凸透镜的放大效果以及光的反向和折射规律，证明了虹是太阳光照射空气中的水珠而形成的自然现象。达芬奇他描述了光是如何通过不同表面反射的，眼睛是如何感觉反射并判断距离的，人类的眼睛是如何接受透视的及光投射在物体上是如何产生阴影的。

开普勒试图通过实验发现精确的折射定律，他的方法虽然是正确的，却没有得到其中有规律性的联系，但开普勒的研究为后来斯涅尔得出折射定律起到了一定的启示作用。17世纪20年代初由荷兰科学家斯涅尔深入研究了光的折射现象，并提出准确的折射定律，奠定了几何光学的基础。笛卡尔1637年也在他的《屈光学》中提出了著名的折射定律——光的入射角与折射角的正弦之比为常数。

随着几何光学的发展，物理光学的研究也开始起步。在人们对物理光学的研究过程中，光的本性问题和光的颜色问题成为焦点。关于光的本性问题，笛卡尔提出了两种假说；一种假说认为，光是类似于微粒的一种物质；另一种假说认为光是一种以“以太”为媒质的压力。虽然笛卡尔更强调媒介对光的影响和作用，但他的这两种假说已经为后来的微粒说和波动说的争论埋下了伏笔。

二、光的波动说

十七世纪以后，人们相继发现自然界中存在着与光的直线传播现象不完全符合的事实，这就是光的波动性的表现，其中最先发现的就是光的衍射现象。意大利科学家格里马尔迪首先观察到光的衍射现象；但他未能正确解释这一现象，他知道他所观察到的这一衍射现象是与光的直线传播相矛盾的。格里马尔迪在1655年首次提出光的波动说。

胡克是光的衍射现象的另一个发现者；1665年，胡克也提出了光的波动说，他认为光的传播与水波的传播相似。1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果；他第一次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹。胡克重复了格里马尔迪的试验，并通过对肥皂泡膜的颜色的观察提出了“光是以太的一种纵向波”的假说。根据这一假说，胡克也认为光的颜色是由其频率决定的。1672年胡克进一步提出了光波是横波的概念。

惠更斯仔细地研究了牛顿和格里马尔迪的光学实验，认为其中有很多现象都是微粒说所无法解释的。因此，他提出了比较完整的波动学说理论；这些在《光论》及补编的《论重力的原因》中能找到相关论述。惠更斯继承并完善了胡克的观点，他把光波与声波类比，提出了以他的名字命名的描述光波在空间各点传播的原理——惠更斯原理，可以定性解释光的衍射现象。惠更斯证明了光的反射定律和折射定律，也比较好地解释了光的衍射和冰洲石（无色透明的方解石）的双折射现象，认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致；他也成功解释了著名的“牛顿环”实验。

惠更斯原理是近代光学的一个重要基本理论。但它虽然可以预料光的衍射现象的存在，却不能对这些现象作出解释，也就是说它可以确定光波的传播方向，而不能确定沿不同方向传播的振动的振幅；惠更斯原理是人类对光学现象的一个近似的认识。由于惠更斯认为光波和声波一样是一种纵波，因此他无法解释光的偏振现象；而且惠更斯所谓的波动实际上只是一种脉冲而不是一个波列，也没有建立起波动过程的周期性概念，因此，用他的理论无法解释颜色的起源，也不能说明干涉、衍射等有关光的本质的现象。总之，十七世纪，由格里马尔迪、胡克、惠更斯等人所建立起的光的波动学说还是很不成熟的。

三、光的微粒说

就在惠更斯积极的宣传波动学说的同时，牛顿的微粒学说也逐步地建立起来了。牛顿根据光的直线传播性质，提出光是微粒流的理论；1672年，牛顿在他的论文《光和颜色的新理论》中谈到了他所作的光的色散实验：让太阳光通过一个小孔后照在暗室里的棱镜上，在对面的墙壁上会得到一个彩色光谱。在这篇论文里他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。从光的色散现象中得出结论；单色的光束是不能再改变的，它们可以说是光的“原子”，就像物质的原子一样。

支持光的微粒说的人们认为：单色光是由单一粒子构成的，白光则是各种光粒子的混合物，棱镜只是将它们分类，使各种光粒子有不同的偏转角度。牛顿及其追随者把色散现象看作是微粒说的一个证明。

牛顿在1704年出版的《光学》一书中，认为光的直线传播是由于这些微粒从光源飞出来，在真空或均匀物质内由于惯性而作匀速直线运动。他说：“光线是否是发光物质发射出来的很小的物体？因为这样一些物体能够直线穿过均匀媒质而不弯曲到影子区域里去，这正是光线的本性。”

牛顿在解释光的折射定律、衍射、干涉等现象的过程中进一步发展和完善了光的微粒说。牛顿在分析折射定律时，坚持微粒说的观点，认为光在光密媒质中的速度大于光疏媒质中的速度（实际上这是一种错误观点），但这在当时无法用实验加以检验的。牛顿解释光的衍射现象时认为，当光粒子通过障碍的边缘时，由于两者之间有引力作用，使光束进入了几何阴影区，这种解释在当时曾被多数人所接受。牛顿在解释光的干涉现象时，认为当光投射到一个物体上的时候，可能激起物体中以太粒子的振动，就好像投入水中的石块在水面上激起波纹一样；他甚至设想可能正是由于这种波依次地赶过光线而引起干涉现象。