量子力学通俗讲义4什么是光

我们知道光是直线传播的，不需要任何介质。光在介质中传播时，会产生反射与折射的现象。根据广义相对论，由于受到物体强引力场的影响，光的传播路径也会发生相应的偏折。然而对光的本质的认识是一部充满曲折的历史。黎明之前我们之所以能够看见东西，那是因为有光在其中发生作用的结果。对光成像的正确认识是公元年被著名的伊斯兰科学家阿尔—哈桑最终归纳成型：我们之所以能够看到物体，是因为光从物体上反射进了我们眼睛。哈桑从多方面论证了这一点，包括光进入眼球时的折射效果以及著名的小孔成像实验，给现代光学的建立打下了基础。年，荷兰物理学家斯涅尔（WillebrordSnell）在前人工作基础上于总结出了光的折射定律。光的运动性质被费马（PierredeFermat）归结为一个简单的法则，那就是“光总是走最短的路线”。至此，光学作为一门物理学科终于被正式确立起来。但是，最基本的光的本质问题却依然无法得到回答。此问题的解决旷日持久，而这一探索的过程，对物理学的影响深远和意义重大。从古希腊以来，人们就倾向于“微粒说”，即把光看成是由一粒粒非常小的“光原子”组成的。这种观点符合当时流行的元素说，当然那时候人们对别的物质形式的了解也有限。微粒说可以很好地解释光的直线传播、反射、甚至折射现象（粒子流在不同介质里的速度不同）。但是粒子说无法解释为什么两道光束相互碰撞的时候不会被彼此弹开等。另外一种学生，波动说则认为，光不是一种物质粒子，而是由于介质的振动而产生的一种波。波动说可溯源到17世纪初，笛卡儿（RenéDescartes）认为光可能是一种压力，在媒质里传播。笛卡尔随后，意大利数学教授格里马第（FrancescoMariaGrimaldi）做了一个实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像。格里马第马上联想起了水波的衍射，于是提出：光可能是一种类似水波的波动。后来，人们认识到光的波长是极短的，在大多数情况下，看不到光的波动行为，衍射实验需要障碍物尺寸在光波长的量级上才行，因此光的行为就如同经典粒子一样，关于直线传播和反射则显得比较自然。但是，波动说有一个基本的难题：光波传输的介质是什么？在那时，人们惯性的以为波动的传输一点需要某种介质载体的存在，比如声音可以沿着空气、水乃至固体前进，但在真空里就无法传播。而星光可以从遥远的星系出发，穿过几乎是真空的太空来到地球而为我们所见，似乎光的传输不需要任何介质一般。为了自圆其说，波动说假设了一种看不见摸不着的介质来实现光的传播，这种介质就是大名鼎鼎的“以太”！它就是亚里士多德的第五元素，用来构造天上之物的，是诸神呼吸的空气！亚里士多德波粒学说的第一次大战年，波义耳（RobertBoyle）的理论认为我们看到的各种颜色，其实并不是物体本身的属性，而是光照上去才产生的效果。这个理论本身无关波粒之争的事，然而却引起了对颜色属性的激烈争论。格里马认为颜色的不同是由于光波频率的不同而引起的。他的实验引起了波义耳的实验助手罗伯特·胡克（RobertHooke，就是那个和牛顿扯不清的胡克）的兴趣，他重复了格里马第的工作，判断光必定是某种快速的脉冲。年，他在其划时代的伟大著作《Micrographia》（显微术）一书中明确地支持波动说。《显微术》很快为胡克赢得了世界性的学术声誉，波动说由于胡克的加入，也一时占了上风。年初，艾萨克·牛顿（IsaacNewton）的年轻人因为制造了一台杰出的望远镜而当选为皇家学会的会员。牛顿当时才29岁，年轻气盛，正准备在光学和仪器方面大展拳脚。牛顿把一个三棱镜放在阳光下，阳光透过三棱镜后形成了红，橙，黄，绿，蓝，靛，紫七种颜色组成的光带照射在光屏上。牛顿得到了跟人们原先一直认为正确的观点完全相反的结论：白光是由这七种颜色的光组成的，这七种光才是纯净的。牛顿写信给皇家学会秘书，再一次介绍了关于光和色的理论，其内容是关于他所做的光的色散实验。2月8日，此信在皇家学会被宣读，受到了广泛