科学的认识与光学发展史

２００１年２期　陈永禄：科学的认识与光学发展史　５７　科学的认识与光学发展史　陈永禄　（荣县中学校四川自贡６４３１００）　摘要：光学发展的所吏过程．是人类不断揭露矛盾、解决矛庸、统一矛盾的过程，遵循了科学认识论中的宾　践—韫谩一理论一实践的原理；光学的发展是无止境的。　关键谲：科学认识　光：｝发展之；认识无止境　中豳分类号：０４３－－－０９　文｜｝标识码：Ａ　文章缡号：１００Ｂ－—５２９７【∞０Ｉ）０２＿　一【ｏ４）　光学是－ｆ］具有悠久历史的学科，它的发展　过程，是人类认识客观世界历史长河中的一个重　要部分，是不斯揭露矛盾、克服矛盾，从不完全和　不确切的认识逐步走向比较完善，较确切认识的　过程。它的不少规律和理论是直接发从生产实践　中总结出来的，相当多发现来自长期的系统的科　学实验。因此，生产实践和科学实验是光学发展　的源泉。　光学的发展为生产技术提供许多精密、快速、　生动的实验手段和重要的理论依据，而生产技术　的发展，又反过来不断向光学提供许多要求解决　的新课题，井为进一步深入研究光学准备了物质　我国春秋战国时＋墨翟（公元前４憾—３７６年）　及弟子所著的＜墨经＞中，就记载着有关光的直线　传播和光在镜布反射等现象。如（墨经＞的粱本第　二十条，经云　景倒，在午有端。　经云：。景＋光之　人，煦若射；下者之人也高＋高者之人也下。足蔽　下光，故成景于上＋首蔽上光，故成景于下。”这段　文字是以描写一个针孔成像实验来说明光的直线　进行。按现代汉语来说：“光向人照去，好象箭射　样；从下面照到高处去了，从高处照去的到下面　去了。足遮住了下面的光线所以成影在上面．头　遮住了上面的光所以成影在下面。叫午”，是一纵　横相交之点，可作针孔照相匣上的小孔讲，“两　条件，这正体现了认识论的理论和实践的辩证法。　在方法论上，光学的发展又完全符合这样的　端”，就是光线经小孔所成的光柬。这里毫无主观　臆测，完全是由观察得封的结果＋将这个现象上升　到理论认识，就是说光是措直线传播的。这个记　载，比起欧几里德（Ｅｕｄｉｄ，公元前￣０－－２７５年）所　认识规律：在观察和实验的基础上，对物理现象进　行分析、抽象和综合，进而提供假说，形成理论，并　不断反复经受实践的检验。对许多问题，就遵循　着实验—假说一理论一实验这条道路曲折前进　的。下面，人们将从光学发展史清楚地看到这一　点。　著的（光学＞一书中记录的，要早一百多年＋可以算　得上是世界上对光学知识的最早记录。　随着人们对光学现象的认识，人们对于光的　传播积累了柑当的经验。当然，这段过程是一个　相当缓慢的历史过程。人们通过对光的直线传　播、反射和折射现象进行观察、实验，归纳出反射　定律和折射定律．同时，在生产和生活需要的推动　１　人们对光的认识首先来源于观察和实践．　即从人的感性认识基础上得出一般规律。　我们知道，光学的发展实际就是人们对光现　象、光本质的认识过程，人们对光的认识首先从感　知开始的。　收稿日期：∞叭—仿—２５　下，光的反射和透射也开始应用，并取得了成就。　如公元１１００年，阿拉伯人阿尔一海兹恩（Ａ｝一　作者简介：陈束棘（１９６ｓ．２一）男．四川蒙县人．理学学士、中学一蛀教师。　维普资讯 http://www.cqvip.com

５８　宜宾师范高等专科学校学报　２００１年６月　ｌ－啦ｎ）发明了第一透镜，公元１５９０年琼森（Ｊｏｎｓｅｔｔ）　和李普塞（Ｌ／ｐｐｅｒｓｈ州）发明第一架望远镜和十七世　纪冯特纳（Ｆｏｎｔａｎａ）发明第一架显微镜。有了望远　镜、显微镜，拓宽了人体功能，对于科学的发展起　到了促进作用。这正体现出认识论中理论和实践　的辩证关系，这种关系在以后光学发展中无时不　存在着。　２．科学的认识论认为，任何事物及事物的发　展无时不存在矛盾，事物的发展就是不断地揭露　矛盾，解决矛盾。每当解决一个矛盾后，认识又有　提高。　随着对光线传播的研究．从十七世纪开始，人　们发现了有与光的直线传播不相符的事实，这就　提出了光究竟是什么，即光的本性问题。这个事　实首先由意大利人格里马第（Ｆ－Ｍ·Ｇｆｉｍａｌｄｉ，　１６１８－－１６６３）观察到的，他发现在点光源的情况下，　根直竿投出的影子要比假定光以直线传播所应　有的宽度稍大一些．这就是说，光不是严格按直线　传播，而会绕过障碍物前进，即以后说的光衍射现　象，这个现象的发现，实际就是光的渡动理论的萌　芽。　在经过漫长的时期后，到十七世纪上半叶，光　的任何性质弄清了，但对于视觉中的两个基本特　征——甍度和颜色的观念还裉模糊。这一类问题　的提出，促使人们加紧对光的研究。　十七世纪下半叶．牛顿（Ｉ－Ｎｅｗｔｏｎ　１　１７２７）￣￣惠更斯（Ｃ·Ｈｕｙｇｅｎｓ，１６２９－－１６９５）等把光的　研究引向进一步发展的道路。１６７２年牛顿进行了　白光实验，发现白光通过棱镜时，会在光屏上形成　按一定次序排列的彩色光带——光谱。于是他认　为白光是由各种色光复合而砀，各色光在玻璃中　受到不同程度的折射而被分散成许多组成部分。　反之，把各种组成部分复合起来会重新得到原来　的白光，进一步实验表明，这些色光不能再分解。　通过实验，使这对颜解释摆脱了主观视觉的印象　（唯心主义），而上升到客观度量的科学高度（唯物　主义）。此外，牛顿通过实验，还发现了一个惊人　现象：把曲率半径很大（几米）的凸透镜放在平玻　璃上，当用白光照射它时，则看到在透镜和玻璃板　接触点处出现一组彩色的同心圆环。当用单色光　照射时，所见接触处出现一组明暗相同的同心圆　环——牛顿环，且不同的单色光对应的第一个黑　环所在处的透镜和玻璃间的空气厚度不同。　在牛顿发现这些重要现象时，根据光的直线　传播，牛顿认为光是一种微粒流，微粒从光源飞　来，在均匀物质中以力学定律作直线运动，并容易　解释光的反射，但解释牛顿环时，却遇到了困难．　同时这种假说也难以说明光线过障碍物之后所发　生的衔射现象。关于光的微粒说和波动说的斗　争，在逐渐形成．这种斗争在以后的过程中．一方　面各自发展，另一方面时刻在剧烈斗争，一时这占　上风，一时另一个占上风。　由于牛顿当时已在物理学界中声望较高．而　且他的微粒学说能解释光的许多现象，因此，有许　多支持者，这时，擞粒说占优势。但是，惠更斯根　据声和光某些性质的相似，他认为光不是微粒构　成的，而是在　以太”中传播的波。所谓“以太”，则　是一种假想的弹性媒质，充满整个宇宙空间，光的　传播取决于“以太”的弹性和密度。在１６９０年＜论　光）中，惠更斯创立波动说，认为　光同声一样，是　以球形波面传播的，这种嫂同把石子投在平静的　水面上所看到的嫂相似”。运用他的嫂动理论中　的扶嫂原理．惠更斯不仅成功地解释了反射和折　射定律，还解释了方解石的双折射现象，但是，惠　更斯没有把嫂动过程的特性给予足够的说明．没　有指出光的周斯性。他没有注意到牛顿环，而牛　顿本人却认为这是光的周期性的表现。在这一时　期，在以牛顿为代表的微粒说占统治地位的同时，　惠更斯的波动说提出来了，可以说，这个时期是几　何光学向波动光学过渡的时期，是人们对光的认　识逐渐深化的时期。　十八世纪，光的微粒说占优势，但嫂动理论却　从没有停止对微粒说理论的斗争。　十九世纪，波动学体系逐渐形成。扬氏　（Ｙ。ｕ取）和菲涅耳（ＦｂｓｒＩｅ１）作了很大贡献。杨氏圆　满地解释了“薄膜的颜色”的现象和用双狭缝实验　维普资讯 http://www.cqvip.com

∞ｏ１年２期　陈永禄：科学的认识与光学发展史　显示了光的干涉现象，第一次测得光波的波长：　１８１５年，菲涅耳用干涉原理补充了惠更斯原理，形　成了惠更斯一菲涅耳原理，动用这个在的理圆满　出．电场和磁场的改变不会局限在空间的某一部　分，而是以数值等于电荷的电磁单位与静电单位　的比值速度传播，即电磁渡以光速传播．说明光是　解释了光在均匀的各向同性的介质中的直线传　播，而且还解释了光通过障碍物时所产生的衍射　现象．成为波动光学中的重要原理。　进一步研究，观察到了光的偏振和偏振光的　种电磁现象。这个理论被赫兹（Ｈ·Ｒ·　血．　１８５７－－１８９４）在１８８８年证实，因此，也就确定了光　的电磁理论基础。这对认识光的本性方面，较之　弹性固体理论前进了一大步。　当然，麦克斯韦的理论还需要以太，只不过　干涉．为了解释这些现象．菲涅耳假定光是横渡。　看来巳相当圆满了。但菲涅耳认为光振动是一种　电磁的以太代表了机械的以太。　连续介质——以太的机械弹性振动，而机械的弹　性横渡只能产生于固体之中，所以不得不把弹性　固体的特性强加于　太。弹性横渡在无限大的固　体中的传播速度ｖ同固体的切变模量Ｎ和密度Ｄ　有下列关系：Ｖ＝Ｎ／ｐ。　因为以太不妨碍各种物体的运动，所以ｐ非　常小，同时为说明光的巨大的传播速度，又必须　Ｎ相当大的数值，为了解释光在各种不同介质中　的不同速度．又必须认为以太的特性在不同的特　质是不同的；在各向异性的介质中还需要有更复　杂的假设。此外，还必须给以太更特殊的性质，才　能解释光波中没有纵振动的现象。这种密度无限　小．切变模量远大于钢，并还要附加许多性质的　太是难以想象的。于是，暴露了光的弹性理论的　许多重大困难。产生这种困难是由于弹性理论既　没有指出光学现象和其他物理现象间的任何联　系，也投能把表征介质性质的光学常数和介质的　其他参数联系起来。在１８４６年，法拉弟（Ｆｒａｒａｄａｙ）　发现了光的振动面在磁场中发生旋转，这表明光　学现象与磁学现象问存在内在的联系。１８５６年，　韦伯（ｗｅｂｅｒ）发现．光在真空中的速度等于电流强　度的电磁单位与静电单位的比值为３×１０￣ｍ／ｓ，这　表明光学现象与电学现象有一定的关系。从这些　发现中，人们得到启示，即必须把光学现象和其他　物理现象联系起来考虑，而不能孤立地研究光的　本性。这正是认识论中所说的，事物矛盾是普遍　联系的．如单纯考虑一方面，则不能完整地认识一　个事物。　从这点出发，麦克斯韦（Ｃ·Ｍａｘｗｅｌ１）１８６０年指　在另一方面，从折射率随光波波长而改变的　色散现象的发现，根据当时物质结构的观念，可以　从电子的运动过程更深入地研究和光相互作用的　过程。洛仑兹正是从这点出发．在１８９６年创立了　电子论，认为在外力作用下，电子怍阻尼振动而产　生光的辐射。当光通过介质，介质中的电子的固　有频率和外场的频率相同时，则束缚的电子使成，　为较显著的吸收体。这样，利用洛仑兹的电子论，　不仅可　解释物质发射和吸收光的现象，还解释　了光在物质中的传播过程，同时光的色散现象也　得到了较好的解释。　在认识光的本性的过程中，应该遵循实践一　假设—理论一实践的过程，同时在认识时，只有反　映自然现象普遍联系的认识才有生命力。那么，　洛仑兹的电子论是否根全面了呢？　实际上，洛仑兹的电子论在对炽热的黑体中　能量按波长分布这样的问题还不能给予令人满意　的解释，说明人们在对光本性的认识还有片面性．　并且，如果洛仑兹关于　太的概念正确的话，则可　将不动的　太选作参照系，以使人们能在区别出　绝对运动。事实上，１８８７年迈克耳孙（Ａ·Ａ·　Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ，１８５卜１９３１）用干涉仪测“以太风”却得　到否定结论，因此，洛仑兹设想的以太的存在与迈　克耳孙宴验不符，这表明洛仑兹电子论对光本性　的确定是有片面性的。因为宴践是检验真理的唯　标准。当然，他的理论与ｌ８世纪比起来，更接　近于客观真理了．这正是人们反复认识的结果。　本世纪初，从洛仑兹电子论对织热的黑体的　辐射中能量按波长分布不能得到令人满意的解释　维普资讯 http://www.cqvip.com

宜宾师范高等专科学幢学报　２００１年６月　受到启发，１９００年，普朗克（Ｍａｘ·Ｐｌ蚰ｃｋ）从物质的　分子结构理论中借出了不连续性的概念，提出了　辐射的量子论，他认为各频率的电磁渡，包括光，　只能以完全一定的份量的能量自振子射出，这种　能量擞粒叫量子，光量子称为光子。这样，量子论　很自然地解释灼热物体辐射能量按波长分布的问　题，而且还给整个物理学提供了新的概念，近代物　理学开端了。这时，光的微粒性叉提到了首位。　从前面我们知道，以太的概念对于解释许多　现象存在很多困难，１９０５年９月，爱因斯坦提出了　狭义相对论的基本原理，指出：从伽利略和牛顿时　代以来占统治地位的古典物理学，其应用范围只　限于速度远远比光速小的情况。这样，根本抛弃　了以太概念。圆满地解释了运动物体的光学现　象。从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学　现象都确证了光是电磁渡，且又从热辐射、光电效　应、光压现象以及光的化学作用都无可怀疑地证　明了光的量子性——傲粒性。这样，光的波动说　和微粒说的矛盾又提出了，我们可　看到，它们叉　各自统治着自己的领域，这同十七世纪牛顿的微　粒说和赢更斯的波动说对峙相似．只不过，　随着　人们认识的耀人，光的电磁渡理论和量子论却进　人了高级阶段，这正反映了认识的结果。　我们说，事物是相互联系的。对于光的本性　问题，是否能找到一个把两种理论联系起来的理　论呢？　１９２４年，德布罗意（Ｌ－Ｖ·ｄｅ　ｅ）创立了物　质渡学说，他大胆设想物质的粒子都和一定的渡　相联系。事实上，这一假设在１９２７年戴维孙和革　末的电子衍射证实了这点。这样，光不仅具有波　动性还具有微粒性，即渡粒二象性　实际上，这也　是微观物质所共有的属性。这样，对光的本性的　认识就更完美了。　从上面对光的本性的认识看，要将光的两个　完全不同的概念联系起来，好象是不可能的，然　而，解释这个困难却来自童想不到的方面。原来　人们对光本性的两种概念的认识都是根据对宏观　的客观现象的观察得到的，而人们想统一这两种　概念时又仅限于们所能“想象”的和所能。了解”　的。但是，为了如实地反映客观世界，应当用广泛　的、活的、正如客观实事那样的，辩证的物质概念　来代替形而上学的、机械的物质学说。从这一观　点看，光学发展的结果所揭露的，在光学现象中波　动性与量子性之间的　不可克服的　矛盾就是自　然辩证法的一种表现：真实的矛盾统一。对于宏　观世界中连续的波动和不连续的量子，在经典物　理学中的简化的、机械概念中，是互相排斥的，而　在客观实际的自然现象中，它们却是统一的、共处　的。人们不习惯这种统一，只不过证明宏观的经　典机械图象有片面性和缺欠。客观世界的物质比　起形而上学的形象来要复杂得多，而且没有止境。　３、认识是无止境的　对光本性的认识，虽然取得了如此成果，但对　光本性的认识还有待深人，井且光学的发展还没　有停止，这种认识的无止境性是由于人的认识受　到客观事物的发展和本质暴露的程度的限制，受　到科学技术条件的限制，受到人的实践范围、立　场、观点、方法和知识水平的限制　由于客观世界　是无限的、时间是无限的，因此认识也是无限的。　正如毛泽东同志所说：“实践，认识，再实践，再认　识，这种形式，循环往复以至无穷，而实践和认识　之每一循环的内容，都比较地进行到高一级程　度。”所以，我们相信，光学还会有更大的发展前　景。