光的本性
很久以來(lái)，人們對(duì)光就進(jìn)行了各種各樣的研究。光到底是什么東西呢？這個(gè)問(wèn)題困擾了許多有才智之士。古希臘哲學(xué)家們認(rèn)為光是高速運(yùn)動(dòng)的粒子流。凡是發(fā)光的物體，例如太陽(yáng)，都能發(fā)出這樣的粒子流。當(dāng)這些微小的粒子流接觸到眼睛上時(shí)，就引起了人們對(duì)光的感覺。
對(duì)于光的研究在以后很長(zhǎng)的年代里沒有進(jìn)展，直到偉大的科學(xué)家牛頓，才開創(chuàng)了一個(gè)光學(xué)研究的新世紀(jì)。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(fù)合。進(jìn)一步的研究使牛頓提出著名的光微粒說(shuō)：光是由極小的高速運(yùn)動(dòng)微粒組成的；不同色光有不同的微粒，其中紫光微粒的質(zhì)量最大，紅光微粒的質(zhì)量最小。利用這種學(xué)說(shuō)牛頓解釋了光的折射、反射和上面描述的色散現(xiàn)象。
微粒說(shuō)合乎人們的日常直觀心理要求。由于光是直線行進(jìn)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(shuō)一時(shí)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。但在牛頓的同時(shí)代人中亦有人大力批駁微粒說(shuō)，荷蘭人惠更斯(1629——1695)于1678年提出波動(dòng)理論來(lái)解釋光的本性。他認(rèn)為光的微粒理論無(wú)法解釋光線可以相互交叉通過(guò)而互不影響，但這卻是波的基本性質(zhì)。利用光的波動(dòng)理論也很容易解釋光的反射與折射現(xiàn)象。那么，到底光是波還是粒子呢?
到十九世紀(jì)初期，發(fā)現(xiàn)了光的干涉、繞射和偏振現(xiàn)象，這些行為只適合于光的波動(dòng)理論解釋。同時(shí)，若根據(jù)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(jù)波動(dòng)理論計(jì)算的結(jié)果則正好相反。在牛頓和惠更斯時(shí)期，人們還無(wú)法精確測(cè)量光速，因此無(wú)法用實(shí)驗(yàn)判定兩理論的正誤。但到了十九世紀(jì)，科技水平和實(shí)驗(yàn)技巧都大大發(fā)展，因此在1862年�？茰y(cè)得了光在水中的傳播速度，證實(shí)了其小于光在空氣中的傳播速度。這時(shí)光的微粒說(shuō)基本上是徹底被放棄了。到1863年麥克斯韋發(fā)表著名的電磁理論，揭示了光波其實(shí)是電磁波的一種，這時(shí)波動(dòng)理論的最后的一個(gè)難題——傳播媒質(zhì)問(wèn)題也被解決了。按照傳統(tǒng)的機(jī)械波理論，光振動(dòng)是在彈性媒質(zhì)中的一種機(jī)械振動(dòng)。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(zhì)“以太”，作為光傳播的媒質(zhì)而散布在宇宙空間�？墒牵魏螌�(shí)驗(yàn)都測(cè)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(dòng)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(zhì)。變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。這樣，變化電磁場(chǎng)的交替產(chǎn)生就構(gòu)成了電磁波由近及遠(yuǎn)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?yàn)楦揪筒恍枰�，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(dāng)時(shí)已知的所有光學(xué)現(xiàn)象。但從十九世紀(jì)末起，卻發(fā)現(xiàn)了一系列令人困惑的新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些結(jié)果共同的特點(diǎn)是，他們無(wú)法用麥克斯韋理論來(lái)解釋。其中最典型的是光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。
光電效應(yīng)是由赫茲（H.R.Hertz，1857一1894）在1887年發(fā)現(xiàn)的。研究光電效應(yīng)的裝置如圖所示，在一個(gè)抽成高真空的玻璃小球內(nèi)，內(nèi)表面上涂有感光層(陰極K)，陽(yáng)極A可做成直線狀或圓環(huán)形。當(dāng)單色光通過(guò)石英窗口照射到陰極K上時(shí)，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(shì)差U，則光電子在加速電場(chǎng)的作用下飛向陽(yáng)極，形成回路中的光電流。光電流的強(qiáng)弱由電流計(jì)讀出。像這種金屬受到光的照射而放出電子的現(xiàn)象就稱為光電效應(yīng)。
 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)使傳統(tǒng)的光學(xué)理論受到嚴(yán)峻考驗(yàn)。偉大的愛因斯坦于1905年提出光量子說(shuō)來(lái)解釋該實(shí)驗(yàn)。想法是革命性的，即認(rèn)為光是一束束以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，每一個(gè)光粒子都攜帶著一份能量。光量子說(shuō)受到普朗克量子說(shuō)的很大影響。普朗克在解釋黑體輻射問(wèn)題時(shí)認(rèn)為光在發(fā)射和吸收過(guò)程中具有粒子性。愛因斯坦則進(jìn)一步認(rèn)為光在傳播過(guò)程中也具有粒子性。
光一方面具有波動(dòng)的性質(zhì)，如干涉、偏振等；另一方面又具有粒子的性質(zhì)，如光電效應(yīng)等。這兩方面的綜合說(shuō)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(zhì)。這是認(rèn)識(shí)上的不斷加深而得到的結(jié)論。應(yīng)該注意這也還不是最后的答案。對(duì)于光的本性，雖然經(jīng)過(guò)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(shí)刻表現(xiàn)為粒子，而在另一時(shí)刻表現(xiàn)為波?還是完全不同于我們現(xiàn)在所知的某種物質(zhì)?這些問(wèn)題也是當(dāng)今的科學(xué)家們?cè)诳嗫嗨妓鞯膯?wèn)題。
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