人類對光的本性認識經歷了壹個非常曲折、漫長的過程，這其中不僅僅使我們獲得了很多知識，更重要的是對科學精神和科學發現的理解更深刻了。同學們，請妳們認真閱讀，暫時不懂的地方可以越過，看完之後有什麽感想？請妳通過回復告訴我，或者發電子郵件至zhousp-fx@263.net
光的本性認識歷史
——摘自《重要物理概念規律的形成與發展》喬際平 劉甲瑉編著
人們對光的本性的認識經歷了漫長的歲月，大約在十七世紀形成了兩種對立的學說，即光的波動說與微粒說，但在以後很長壹段時期內，微粒說占據統治地位，而波動說幾乎消聲匿跡．歷史發展到十九世紀初，由於壹連串的發現和眾多科學家的努力使光的波動說再次復興，並壓倒了微粒說．二十世紀初，愛因斯坦提出了光的量子說，康普頓證實了光的粒子性，使人們對光的本性又有全新的認識，乃至到今天，人們認識到光具有波粒二象性．人們對光的本性的認識過程可概括為：
光的波動說→光的微粒說→光的波動說→光的量子說→光的粒子說→光的波粒二象性．
壹、光的波動說的形成
十七世紀形成了關於光的本性的兩種學說，歷史上主張光的波動說有笛卡兒、胡克、惠更斯等人．
1．笛卡兒借助於以太來說明光的傳播過程
十七世紀上半葉，法國物理學家笛卡兒（1596—1650）曾用他提出的“以太”假說來說明光的本性．他用以太中的壓力來說明光的傳播過程．如果壹物體被加熱並發光，這意味著，物體的粒子處於運動狀態並給予這壹媒質的粒子以壓力．這壹媒質被稱為以太，它充滿了整個空間．壓力向四面八方傳播，在達到人眼後引起人的感覺，他把人們對物體的視覺比喻為盲人用手杖來感知物體的存在，他把光的顏色設想為起源於以太粒子的不同的轉動速度，轉得快的引起紅色的感覺，轉得慢的對應於黃色，最慢的是綠色和藍色．他的主張是強調媒質的影響，以“作用”的傳播為出發點，特別是以接觸作用或近距作用為出發點，把光看作壓力或者脈動運動的傳播，因而笛卡兒被認為是光的波動說的創始人．
2．胡克把光波與水波類比指出光的波動性
胡克在1665 年出版的《顯微術》壹書，明確提出光是壹種振動．他以鉆石受到摩擦、打擊或加熱時在黑暗中發光的現象為例，認為發光體的壹部分處在或多或少的運動中，又因金剛石很硬，肯定它是壹種很短的振動．在分析光的傳播時，胡克提到了光速的大小是有限的，並認為“在壹種均勻媒介中，這壹運動在各個方向都以相等的速度傳播”，因此發光體的每壹個振動形成壹個球面向四周擴展，猶如石子投入水中所形成的波那樣，而射線和波面交成直角．胡克還把波面的思想用於對光的折射現象的研究，提出了薄膜顏色的成因是由於兩個界面反射、折射後所形成的強弱不同、超前落後不壹致的兩束光的疊合．這裏已包含著波陣面、幹涉等不少波動說的基本概念．
3．惠更斯把光波與聲波類比提出惠更斯原理，發展了光的波動學說
荷蘭物理學家惠更斯（1629—1695）在十七世紀七十年代，從事光的波動論的研究，1690 年出版了他的著名著作《論光》．惠更斯從光的產生和它所引起的作用兩方面來說明光是壹種運動．他的研究發現：“光線向各個方面以極高的速度傳播，並且光線從不同的地點出發時，光線在傳播中相互穿過而互不影響．當我們看到發光的物體時，決不會是由於該物體有任何物質傳輸到我們這裏，好象壹粒子彈或壹只箭穿過空氣那樣”．從這裏可看出，惠更斯從光束在傳播中相互交叉時並不彼此妨礙的事實得出上述結論的．他把光的傳播方式和聲音在空氣中的傳播作比較，明確地指出了光是壹種波動的思想．他又根據光速的有限性論證了光是從媒質的壹部分依次向其他部分傳播的壹種運動，他認為光和聲波、水波壹樣是壹種球面波．惠更斯不但從現象上解釋各種光的波動現象，而且試圖從理論的高度總結出普遍的規律，他提出了著名的惠更斯原理．他敘述說：“關於這些波的形成過程還必須指出，當光在物質中傳播時，物質的每壹個粒子都應當把它的運動不僅傳遞給位於它與發光點的連線上近旁的粒子，它也必然把運動傳遞給所有與它接觸並阻礙它運動的其它粒子．因此，在粒子的周圍就應當形成波，而該粒子則是波的中心”．運用這個次波原理，惠更斯不但成功地解釋了反射和折射定律，而且還解釋了方解石的雙折射現象．惠更斯沒有給波動過程以嚴密的數學描述．沒有提到波長的概念，他的次波包絡面也沒有從壹定位相的叠加所造成的強度分布來考慮，只不過是光傳播的壹種幾何的定性說明，故仍舊停留在幾何光學的觀念範圍內．由於他認為光波和聲波壹樣是壹種縱波，因此他無法解釋光的偏振現象；而且惠更斯所謂的波動實際上只是壹種脈沖而不是壹個波列，也沒有建立起波動過程的周期性概念，因此，用他的理論無法解釋顏色的起源，也不能說明幹涉、衍射等有關光的本質的現象．總之，十七世紀，由笛卡兒、胡克、惠更斯等人所建立起的光的波動學說還是很不成熟的．
二、光的微粒說的形成
在光的波動學說形成過程中，關於光的本性另壹種對立學說——光的微粒說也逐步建立起來了。
1．牛頓在對光的色散現象的研究中提出了光的微粒說．牛頓在光學研究中，從光的色散現象中得出結論；單色的光束是不能再改變的．它們可以說是光的“原子”，就象物質的原子壹樣．支持光的微粒說的人們認為：單色光是由單壹粒子構成的，白光則是各種光粒子的混合物，棱鏡只是將它們分類，使各種光粒子有不同的偏轉角度．因而牛頓及其追隨者把色散現象看作是微粒說的壹個證明．而在當時很不完善的波動說卻很難解釋光的色散問題．惠更斯雖然他知道牛頓的這壹研究成果，但在他的著作中卻避開而不談這壹問題．
2．牛頓根據光的直線傳播性質，提出光是微粒流的理論．牛頓在1704年出版的《光學》壹書中，根據光的直線傳播性質，提出了光是微粒流的理論．他認為光的直線傳播是由於這些微粒從光源飛出來，在真空或均勻物質內由於慣性而作勻速直線運動．他說：“光線是否是發光物質發射出來的很小的物體？因為這樣壹些物體能夠直線穿過均勻媒質而不彎曲到影子區域裏去，這正是光線的本性。”
3．牛頓在解釋光的折射定律、衍射、幹涉等現象的過程中進壹步發展和完善了光的微粒說．牛頓在分析折射定律時，堅持微粒說的觀點，認為光在光密媒質中的速度大於光疏媒質中的速度（實際上這是壹種錯誤觀點），但這在當時無法用實驗加以檢驗的．牛頓解釋光的衍射現象時認為，當光粒子通過障礙的邊緣時，由於兩者之間有引力作用，使光束進入了幾何陰影區．這種解釋在當時曾被多數人所接受．牛頓在解釋光的幹涉現象時，認為當光投射到壹個物體上的時候，可能激起物體中以太粒子的振動，就好像投入水中的石塊在水面上激起波紋壹樣．他甚至設想可能正是由於這種波依次地趕過光線而引起幹涉現象．在解釋薄膜幹涉時，牛頓已接觸到光的周期性概念．從以上可看出，牛頓對光的本性的看法基本上是傾向於微粒說的觀點，但其中也包含壹些波動性的觀點．而牛頓當時的支持和崇拜者們卻把牛頓推舉為微粒說的代表．
三、光的波動說與微粒說的鬥爭中，微粒說取得初步勝利，占統治地位．
當光的波動說和微粒說初步形成後，這兩種對立的觀點進行了激烈地爭論和鬥爭．以惠更斯等為代表的光的波動說和以牛頓為代表的光的微粒說各持己見．它們都能解釋壹些光學現象．但也各有壹些局限性，限於當時的條件有時也難以明確判斷其正誤．如按照微粒說，可推導出光的折射定律為
sini/sinr=v2/v1
式中i 為入射角、r 為折射角、n 為折射率．v1 和v2 分別為第壹種媒質與第二種媒質中的光速．由疏媒質進入光密媒質時v2＞v1，即光疏媒質中的光速v1 小於光密媒質中的光速v2．而按波動說，惠更斯推導出
sini/sinr=v1/v2 則v2<v1
由於當時在實驗技術上還沒有辦法精確測定媒質中的光速，因此對上述彼此對立的兩種觀念誰是誰非還無法判斷．在兩種學說的爭論中，由於牛頓當時的顯赫聲望與權威，而且光的微粒說也成功地解釋了光的直線傳播特性、光的反射和折射等現象再加上微粒說與當時關於物質結構的原子說不相矛盾，所以十七世紀的多數物理學家都贊同光的微粒說，這樣壹直持續到十八世紀末，致使微粒說在光的本性的爭論中在十九世紀以前壹直占統治地位，也為人們認識光的本性提供了重要的依據，使光的波動說幾乎消聲匿跡．只有極少數的物理學家捍衛並發展“以太”的波動理論．他們中有瑞士的歐拉（1707—1783）、伯努利（1700—1782）和俄羅斯的羅蒙諾索夫（1711—1765）等．微粒說盡管在光的本性爭論中占上風，但牛頓嚴謹的治學態度，使他始終認為雖然做過許多光學實驗，但始終做得還很不充分，對光的本質只能提出壹些問題，還停留在假設階段，牛頓希望“留給那些認為值得努力去把這個假說應用於解釋各種現象的人們去思考”．
四、光的波動說的復興
在十八世紀由於光的微粒說占統治地位，使光的波動理論實際上沒有什麽進展．十九世紀初由於壹大批物理學家的***同努力，使光的波動學說再度復興，並取得了極大的成功．
1．托馬斯·楊的開創性研究工作
英國年輕的學者托馬斯·楊（1773—1829）面對以聲望顯赫的牛頓為代表的微粒說認為，盡管他也仰慕牛頓的大名，但並不因為此非得認為牛頓是萬無壹失的，他也會弄錯，而且由於他的權威也許有時甚至阻礙了科學的進步．更何況牛頓在他的《光學》著作中，已提出過對光的本性可以進壹步探究．雖然周圍的環境對托馬斯·楊的波動理論的研究工作起了壓抑的影響，但他還是堅持探索．他通過仔細地觀察在兩組水波交叠處發生的現象：“壹組波的波峰與另壹組波的波峰相重合，將形成壹組波峰更高的波．如果壹波的波峰與另壹組波的波谷相重合，那麽波峰恰好填滿波谷”由此他提出的著名的“幹涉原理”也稱“波的叠加原理”，並在光學中首次引入了“幹涉”的概念．他所表述的幹涉原理是：“兩個在方向上或者完全壹致、或者很接近的不同光源的波動，它們的聯合效應是每壹種光的運動的合成”兩束光在交疊處由於運動的合成會產生光強度的重新分配，形成明暗相間的幹涉滌紋．同時他指出了產生幹涉現象的條件.他首次完成了著名的雙縫幹涉實驗和其他壹些幹涉實驗，總結出：為了顯示光的幹涉，先必須使從同壹光源出來的光分成兩束，經由不同的途徑，然後重新叠合在壹起，即可觀察到幹涉現象．楊氏第壹次成功地測定了光的波長．但楊氏的發現沒有受到科學界的重視，反而引來了壹些粗暴的攻擊．從這裏可看出，光的微粒說在當時不可動搖的地位．直到二十年之後，法國物理學家菲涅耳在法國獨立地研究了光的理論，並特別稱贊楊的工作之後，楊才恢復早斯的光學研究．托馬斯·楊的工作是壹種開創性工作，它從根本上證明了波動理論的正確性，為波動說的復興奠定了基礎．
2.菲涅耳的傑出的實驗研究與理論研究成果使光的波動說再度復興．菲涅耳的光學研究中，他首先觀察了從點光源發射出的光束在遇到細線阻擋時出現的條紋，如果將通過細線壹邊的光在它到達屏之前把它攔住時，影內的條紋就失去了．菲涅耳認為條紋的出現同細線兩邊光的叠加有關．而當時許多物理學家卻認為這種現象並不是由於光波的叠加，因為微粒說早就提出對衍射的解釋．菲涅耳從理論研究中發現了著名的惠更斯——菲涅耳原理：“在任何壹點的光波振動可以看作是在同壹時刻傳播到那壹點上的光的元振動的總和，這些振動來自所考察的波的以前位置未受阻攔的所有部分的作用”．運用這個原理，就能以嚴密的數學方法計算出衍射帶的分布，並解釋光在均勻媒質中的近似的直線傳播現象和幹涉現象．菲涅耳曾做過許多實驗，它提出了“相幹光”這個概念，即只有同壹光源的同壹點發出的光才是相幹的．他設計和進行了著名的雙面鏡和雙棱鏡實驗，並測定了光的波長，明確指出光和聲的波動性就是產生衍射和幹涉現象的原因．菲涅耳還用不同的波長解釋光的不同顏色．1818 年菲涅耳的有關衍射論文獲法國科學院舉行的壹次競賽的頭獎和榮譽論文的稱號．泊松從菲涅耳理論中推論出在壹個圓形不透明障礙物的陰影中心應當出現壹個亮點，不久被阿拉哥的實驗所證實．1808 年，馬呂斯（1775—1812）偶然發現光在兩種媒質界面上反射時的偏振現象，為了解釋這種現象，楊氏1817 年指出了光波和弦上傳播的波動類似的假設，認為光波是壹種橫波．菲涅耳進壹步完善了這壹觀點，並導出了菲涅耳公式．這樣，由於楊氏和菲涅耳等人的傑出工作，終於使光的波動說再度復興，並得到了極大的完善和發展，使光的波動說在光的本性的爭論中在十九世紀占據__了統治地位，使十七、十八世紀盛行壹時的微粒說不得不退居“二線”．
3．光的波動說的發展與其局限性
光的波動說在經托馬斯·楊和菲涅耳等人的努力再度復興之後，在十九世紀中葉和後半葉又得到了很快地發展．1845 年法拉弟發現了光的偏振面在強磁場中會發生旋轉的現象，揭示了光和電磁現象之間的內在聯系．1852 年，德國物理學家韋伯（1804—1891）發現並測定了電荷的電磁單位與靜電單位的比值等於光在真空中的傳播速度，進壹步說明了光和電磁之間的內在聯系．1849 年法國物理學家菲索測定了光速，1862 年傅科又使用旋轉鏡法得到了更加精確的測定值，並測定了光在水中的速度小
於在空氣中的速度，從而給光的波動說以充分精確的實驗證明．光速的測定為光的電磁理論提供了有力的證據．1864 年麥克斯韋電磁場理論的建立使光的波動說達到了成功的頂峰．至此光的波動說似乎十分圓滿了，但是把波動看作“以太”中的機械彈性波，就必須賦予以太許多附加甚至相互矛盾的性質，如光是橫波，則“以太”必須有非常大的切變彈性，而這種性質只有固體才具有，因此波動說仍然面臨困難．而且隨後的實驗發現也證明了光的波動說具有壹定的局限性．
五、光的量子說
1900 年普朗克提出量子假設，1905 年愛因斯坦發表論光的量子理論著名論文，題目是《壹個關於光的產生和轉化的啟發性觀點》．他指出，用連續空間函數表示能量的光波理論，當應用於光的產生和轉化等現象時，會導致與經驗相矛盾的結果．對於黑體輻射、光致發光、光電效應這些現象如果用光量子的假設來說明，似乎更容易理解．他發展了普朗克提出的能量子概念，認為電磁輻射的能量可以分成壹小份、壹小份的“微粒”式結果，這些能量顆粒就是光量子，簡稱光子．它的大小用hv 表示．（h—普朗克常數，v—光的頻率）．光量子適用於壹切光的產生與轉化問題，在自由空間中光量子是壹種存在的“實體”，愛因斯坦用光量子概念圓滿地解釋了經典物理理論無法解決的實驗事實：光電效應．因為按照光的波動說，它是與光電效應的實驗事實相矛盾的．其壹，按照光的波動說，在光的照射下，金屬中的電子將從入射光中吸收能量，從而逸出金屬表面．逸出時的初動能應決定於光振動的振幅，即決定於光的強度．因而光電子的初動能應隨入射光強度而增加．這與光電效應的實驗結果不符．其二，根據波動說，如果光強足夠供應從金屬釋出光電子所需要的能量，那麽光電效應對各種頻率的光都會發生，但實驗事實是每種金屬都存在壹個紅限ν0，對於頻率小於ν0 的入射光，不管入射光的強度多大，都不能發生光電效應.其三，按照光的波動說，金屬中的電子從入射波中吸收能量必須積累到壹定的量值，才能釋放電子，顯然入射光越弱，能量積累的時間越長．但事實是當物體受到光的照射時，無論光怎樣弱，只要頻率大於紅限頻率，光電子幾乎是立刻發射出來的．愛因斯坦則根據光的量子理論成功地解釋了光電效應．並總結出了光電效應方程式
十年後密立根的實驗完全證實了愛因斯坦光電效應方程及理論的正確性，從而確立了光的量子理論．
六、光的粒子性
1923 年美國物理學家康普頓在實驗中又發現：倫琴射線被輕的原子散射後，波長發生了變化．後來用重原子散射時，也觀察到這個現象，並且這時的康普頓效應更加復雜．按照經典電磁理論，光是波長很短的電磁波．光的散射可作這樣的解釋：當電磁波通過物體時，將引起物體內帶電粒子的受迫振動，從入射光中吸收能量．而每個振動著的帶電粒子可看作振動電偶極子，它們向四周輻射，這就成為散射光．又根據光的波動說觀點，帶電粒子受迫振動頻率應等於入射光的頻率，所以散射光的頻率應與入射光的頻率相同．可見光的波動理論能夠解釋波長不變的散射，但不能解釋康普頓效應．康普頓用光子的概念成功地解釋了康普頓效應．他假設入射光是由許多光子組成，這些光子不但具有能量hv，而且具有動量hν/e 這樣問題就轉化為普通的質點碰撞問題了，即具有動量和能量的光子與原來處在靜止狀態的電子相碰撞．碰撞過程遵循能量守恒與動量守恒定律．這樣計算出的數值與實驗結果相符，從而證實，光確實具有粒子性．
七、光的物質性
光照在物體應該給被照物以壓力，這早在十七世紀初開普勒解釋慧星尾巴形狀時就已提出，1899 年俄國物理學家列別捷夫（1866—1912）首次成功完成了光壓實驗，進壹步證實了光的物質性．通過光壓實驗，它有力地證明了光不僅具有能量，而且還具有動量，這無疑證明了光的物質性，證明了光和實物壹樣，是物質的壹種形式．光是物質，這是人們對光的本性進壹步深化認識．
八、光的本性的現代觀點
經過多代人的努力，今天使我們對光的本性有更深入、更全面的認識．光是壹種物質，光具有波動性和粒子性．即所謂的波粒二象性．光是由光子組成的，光子在很多方面具有經典粒子的屬性，但光子的出現幾率是按波動光學的預言來分布的．由於普朗克常數極小，頻率不十分高的光子能量和動量很小，在很多情況下，個別光子不易顯示出可觀測的效應．人們平時看到的是大量光子的統計行為，只有在壹些特殊場合，尤其是牽涉到光的發射與吸收等過程時，個別光子的粒子性會明顯地表現出來，波長越短、粒子性越明顯．