17_00_光学发展史

第十七章 波动光学

17_00 光学发展史

1 光学的萌芽时期

光学的起源可以追溯到二、三千年以前。在中国古代的《墨经》、西方欧几里得的《反射光学》、阿拉伯学者写的《光学全书》中都有过对光学现象的介绍。但光学真正成为一种学说应该是从十七世纪几何光学的初步发展开始。

2 几何光学时期

几何光学的最初发展就是源于天文学和解剖学的需要。因为光学仪器在天文学和解剖学的研究中有着重要作用，在人们不断研究、制造光学仪器的过程中，几何光学形成了。几何光学的基础是光的反射定律和光的折射定律。

十七世纪初，德国天文学家开普勒由于革新天文望远镜的实际需要开始了对几何光学的研究。1604年他发表了一篇论文，对光的反射现象、光的折射现象及视觉现象作了初步的理论解释。1611年，他又出版了一部光学著作，其中记载了他的两个重要实验：比较入射角和出射角的实验，圆柱玻璃实验。在书中，他对几何光学作了进一步的理论探讨，并提出了焦点、光轴等几何光学概念，发现了全反射。

继开普勒之后，荷兰物理学家和数学家斯涅尔对几何光学做出了系统的、数学的分析。斯涅尔通过实验与几何分析，最初发现了光的反射定律。另外，当他对光的反射现象进行系统的实验观测和几何分析以后，他又提出了光的折射定律。但斯涅尔在世时并没有发表这一成果。1626年，他的遗稿被惠更斯读到后才正式发表。不久后笛卡儿也推出了相同的结论，但他是把光的传播想象成球的传播，是用力学规律来解释的，不是十分严密。1661年，费马把数学家赫里贡提出的数学方法用于折射问题，推出了折射定律，得到了正确的结论。折射定律的确立，促进了几何光学的迅速发展。 在早期光学的研究中，色散是另一个古老的课题，因为彩虹现象已经吸引人类多年。在笛卡儿的《方法论》中，提到了作者早期的色散实验，但他没有观察到全部的色散现象。1648年布拉格的马尔西成功的完成了光的色散实验，但他做出了错误的解释。 牛顿在笛卡儿等人的著作中得到了启示，用三个棱镜重新作了光的色散实验，并在此实验的基础上，对光的颜色总结出了几条规律，结论全面，论据充分。十七世纪，几何光学初步形成便得到了蓬勃的发展。

十七世纪中期，物理光学有了进一步的发展。1655年，意大利波仑亚大学的数学教授格里马第在观测放在光束中的小棍子的影子时，首先发现了光的衍射现象。据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。

格里马第设计了一个实验：让一束光穿过一个小孔，让这束光穿过小孔后照到暗室里的一个屏幕上。他发现光线通过小孔后的光影明显变宽了。格里马第进行了进一步的实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，这时得到了有明暗条纹的图像。他认为这种现象与水波十分相像，从而得出结论：光是一种能够作波浪式运动的流体，光的不同颜色是波动频率不同的结果。格里马第第一个提出了“光的衍射”这一概念，是光的波动学说最早的倡导者。格里马第1663年逝世，他的重要发现在1665年出版的书中进行了描述。

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。这一发现与格里马第的说法有不谋而合之处，为后来的研究奠定了基础。

不久后，英国物理学家胡克重复了格里马第的实验，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。

然而1672年，牛顿在他的论文《关于光和色的新理论》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。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。在这篇论文里他用微粒说阐述了光的颜色理论。

第一次波动说与粒子说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了。从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。

1672年2月6日，以胡克为主席，由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文《关于光和色的新理论》基本上持以否定的态度。

牛顿开始并没有完全否定波动说，也不是微粒说偏执的支持者。但在争论展开以后，牛顿在很多论文中对胡克的波动说进行了反驳。

1675年12月9日，牛顿在《说明在我的几篇论文中所谈到的光的性质的一个假说》一文中，再次反驳了胡克的波动说，重申了他的微粒说。

由于此时的牛顿和胡克都没有形成完整的理论，因此波动说和微粒说之间的论战并没有全面展开。但科学上的争论就是这样，一旦产生便要寻个水落石出。旧的问题还没有解决，新的争论已在酝酿之中了。

波动说的支持者，荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯继承并完善了胡克的观点。惠更斯早年在天文学、物理学和技术科学等领域做出了重要贡献，并系统的对几何光学进行过研究。1666年，惠更斯应邀来到巴黎科学院以后，并开始了对物理光学的研究。在他担任院士期间，惠更斯曾去英国旅行, 并在剑桥会见了牛顿。二人彼此十分欣赏，而且交流了对光的本性的看法，但此时惠更斯的观点更倾向于波动说，因此他和牛顿之间产生了分歧。正是这种分歧激发了惠更斯对物理光学的强烈热情。回到巴黎之后，惠更斯重复了牛顿的光学实验。他仔细的研究了牛顿的光学实验和格里马第实验，认为其中有很多现象都是微粒说所无法解释的。因此，他提出了波动学说比较完整的理论。

惠更斯认为，光是一种机械波；光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它的物质载体是“以太”；波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。根据这一理论，惠更斯证明了光的反射定律和折射定律，也比较好的解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿环”实验。

如果说这些理论不易理解，惠更斯又举出了一个生活中的例子来反驳微粒说。如果光是由粒子组成的，那么在光的传播过程中各粒子必然互相碰撞，这样一定会导致光的传播方向的改变。而事实并非如此。

1678年，惠更斯向巴黎科学院提交了他的光学论著《光论》。在《光论》一书中，他系统的阐述了光的波动理论。同年，惠更斯发表了反对微粒说的演说。 1690年，《光论》出版发行。

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的建立起来了。牛顿修改和完善了他的光学著作《光学》。基于各类实验，在《光学》一书中，牛顿一方面提出了两点反驳惠更斯的理由：第一，光如果是一种波，它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会产生影子；第二，冰洲石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质，波动说无法解释其原因。另一方面，牛顿把他的物质微粒观推广到了整个自然界，并与他的质点力学体系融为一体，为微粒说找到了坚强的后盾。 为不与胡克再次发生争执，胡克去世后的第二年（1704年）《光学》才正式公开发行。但此时的惠更斯与胡克已相继去世，波动说一方无人应战。而牛顿由于其对科学界所做出的巨大的贡献，成为了当时无人能及一代科学巨匠。随着牛顿声望的提高，人们对他的理论顶礼膜拜，重复他的实验，并坚信与他相同的结论。整个十八世纪，几乎无人向微粒说挑战，也很少再有人对光的本性作进一步的研究。

3 波动光学时期

十八世纪末，在德国自然哲学思潮的影响下，人们的思想逐渐解放。英国著名物理学家托马斯·杨开始对牛顿的光学理论产生了怀疑。根据一些实验事实，杨氏于1800年写成了论文《关于光和声的实验和问题》。在这篇论文中，杨氏把光和声进行类比，因为二者在重叠后都有加强或减弱的现象，他认为光是在以太流中传播的弹性振动，并指出光是以纵波形式传播的。他同时指出光的不同颜色和声的不同频率是相似的。在经过百年的沉默之后，波动学说终于重新发出了它的呐喊；光学界沉闷的空气再度活跃起来。

1801年，杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。

同年，杨氏在英国皇家学会的《哲学会刊》上发表论文，分别对“牛顿环”实验和自己的实验进行解释，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。

1803年，杨氏写成了论文《物理光学的实验和计算》。他根据光的干涉定律对光的衍射现象作了进一步的解释，认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的。虽然这种解释不完全正确，但它在波动学说的发展史上有着重要意义。 1804年，这篇论文在《哲学会刊》上发表。

1807年，杨氏把他的这些实验和理论综合编入了《自然哲学讲义》。但由于他认为光是一种纵波，所以在理论上遇到了很多麻烦。他的理论受到了英国政治家布鲁厄姆的尖刻的批评，被称作是“不合逻辑的”、“荒谬的”、“毫无价值的”。

虽然杨氏的理论以及后来的辩驳都没有得到足够的重视、甚至遭人毁谤，但他的理论激起了牛顿学派对光学研究的兴趣。

1808年，拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说。

1809年，马吕斯在实验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证据。

1811年，布儒斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。

光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展。

面对这种情况，杨氏对光学再次进行了深入的研究，1817年，他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法，提出了光是一种横波的假说，比较成功的解释了光的偏振现象。吸收了一些牛顿派的看法之后，他又建立了新的波动说理论。杨氏把他的新看法写信告诉了牛顿派的阿拉果。

法国的一位土木工程师菲涅尔以此为基础，在1818年提交了一篇应征巴黎科学院悬赏征求阐述光折射现象的论文。在这篇文章中，他提出了一整套高度完善的波动说理论，这个理论是哪样的简洁和有力。无论当时那么多复杂漂亮的实验，以及所有已知的光学现象没有一个它解释不通的。著名数学家泊松还要做垂死的挣扎。他根据菲涅尔的理论推算出光射到一个不透明的圆板上，在这个圆板的中心应当有一个亮斑－－泊松斑。显然谁也没有看到过这种十分荒谬的现象。所以，泊松兴高采烈地宣称他驳倒了菲涅尔的波动理论。然而他高兴的似乎早了点。波动说的支持者用实验的方法证明了圆板的阴影中心确实有这样一个亮斑。这不过是光的一种衍射现象。

当时还不知道杨氏关于衍射的论文，他在自己的论文中提出是各种波的互相干涉使合成波具有显著的强度。事实上他的理论与杨氏的理论正好相反。后来阿拉果告诉了他杨氏新提出的关于光是一种横波的理论，从此菲涅尔以杨氏理论为基础开始了他的研究。1819年，菲涅尔成功的完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验，继杨氏干涉实验之后再次证明了光的波动说。阿拉戈与菲涅耳共同研究一段时间之后，转向了波动说。1819年底，在非涅尔对光的传播方向进行定性实验之后，他与阿拉果一道建立了光波的横向传播理论。

1882年，德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象。在他之后，德国另一位物理学家施维尔德根据新的光波学说，对光通过光栅后的衍射现象进行了成功的解释。

至此，新的波动学说牢固的建立起来了。微粒说开始转向劣势。

随着光的波动学说的建立，人们开始为光波寻找载体，以太说又重新活跃起来。一些著名的科学家成为了以太说的代表人物。但人们在寻找以太的过程中遇到了许多困难，于是各种假说纷纷提出，以太成为了十九世纪的众焦点之一。

菲涅尔在研究以太时发现的问题是，横向波的介质应该是一种类固体，而以太如果是一种固体，它又怎么能不干扰天体的自由运转呢。不久以后泊松也发现了一个问题：如果以太是一种类固体，在光的横向振动中必然要有纵向振动，这与新的光波学说相矛盾。

为了解决各种问题，1839年柯西提出了第三种以太说，认为以太是一种消极的可压缩性的介质。他试图以此解决泊松提出的困难。1845年，斯托克斯以石蜡、沥青和胶质进行类比，试图说明有些物质既硬得可以传播横向振动又可以压缩和延展——因此不会影响天体运动。

1887年，英国物理学家迈克尔孙与化学家莫雷以“以太漂流”实验否定了以太的存在。但此后仍不乏科学家坚持对以太的研究。甚至在法拉第的光的电磁说、麦克斯韦的光的电磁说提出以后，还有许多科学家潜心致力于对以太的研究。

十九世纪中后期，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胜利。但人们在为光波寻找载体时所遇到的困难，却预示了波动说所面临的危机。

在光的波粒之争中，光速的测定曾给他们提供重要的依据。1607年，伽利略进行了最早的测量光速的实验。1676年，丹麦天文学家罗麦第一次提出了有效的光速测量方法。1725年，英国天文学家布莱德雷发现了恒星的" 光行差" 现象，他用地球公转的速度与光速的比例估算出了太阳光到达地球需要8分13秒。这个数值较罗麦法测定的要精确一些。1849年，法国人菲索第一次在地面上设计实验装置来测定光速。1850年，法国物理学家傅科改进了菲索的方法，1928年，卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。1972年，埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值：299792457.4±0.1米/秒。除在波粒之争中的作用之外，光速的测定本身在光学的研究历程中也有着重要的意义。

4 量子光学时期

1887年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再一次被证明！

二十世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子学说。1921年，爱因斯坦因为" 光的波粒二象性" 这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。

1921年，康普顿在实验中证明了X 射线的粒子性。1927年，杰默尔和后来的乔治·汤姆森在实验中证明了电子束具有波的性质。同时人们也证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线具有波的性质。 在新的事实与理论面前，光的波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。

光的波动说与微粒说之争从十七世纪初笛卡儿提出的两点假说开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间。牛顿、惠更斯、托马斯．杨、菲涅耳等多位著名的科学家成为这一论战双方的主辩手。正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱。 经过三个世纪的研究，人们得出了光具有波粒二象性的结论，然而随着科学的不断向前发展，在光的本性问题上是否还会有新的观点、新的论据出现呢？波粒二象性真的是最后结果吗？群星璀璨的科学史上，不断有新星划破长空，不断有陈星殒坠尘埃，到底哪一颗是恒星、哪一颗是流星呢？ 5 现代光学时期

1960年美国科学家梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器，为现代光学的发展奠定了基础。激光问世以来，光学与其它各学科之间互相渗透结合，光学又成为当前科学发展的前沿，同时又派生了许多崭新的分支。诸如激光物理、激光化学、激光同位素分离、激光光谱、激光动力学、激光通讯、激光聚变、激光全息、激光信息处理、光计算机、激光加工业等各个边缘学科及在工农科研医学农业等应用技术获得迅速发展。随着现代光学的发展，人们对光的本性的认识也上升到一个高的层次。

光是电磁波 特性

直线传播

反射

折射

干涉、衍射

偏振

传播速率

可见光是电磁波中的一小部分，波长：4000~7600Å，频率：7.5⨯10~3.9⨯10Hz —— 实验表明可见光中的电矢量是引起人眼视觉的主要因素 1414电磁波 √ √ √ √ √ √ 光波 √ √ √ √ √ √