神通激光

第三节 科学家给光画像

　　光是什么？古往今来，人们一直在探索这个问题的答案。

　　很久很久以前，古希腊人给光画了一张像——人一睁开眼睛，光就从人眼睛里流出来。他们认为，由于人的眼睛能够自然而然地流出光来，所以人才会看到周围的东西。

　　多少个世纪以来，人们运用人类逐渐积累起来的知识，给光勾画了一张又一张画像。有的似像非像，有的画出了光的某些特点，却没有表现出其他特点。

　　1675年，英国科学家牛顿在解释阳光通过三棱镜产生7色光谱现象时，把光描绘为从发光物体发射出来并作高速直线运动的一种非常细小的粒子。这就是光的“微粒说”。这种学说很好地解释了光的直线传播、反射和折射，而对衍射、干涉和偏振现象却无能为力。

　　1678年，荷兰物理学家惠更斯对光做出了完全不同的描绘：光是在充满整个空间的特殊媒质“以太”中传播的某种弹性波动，这就是光的“波动说”。一些科学家运用光的波动理论解释了光的干涉、衍射和偏振现象，但是，却不能很好地解释光的直线传播。后来，迈克耳逊实验还证明并不存在“以太”。

　　牛顿和惠更斯是同时代的人，微粒说和波动说各有长短，争论不休。由于那时候的实验条件和方法所限，无法判断和证实两种学说的真伪。微粒说能直观地解释光的直线传播等现象，易于为人们所接受，所以在长时间里占着上风。

　　1801年，英国物理学家托马斯·杨做了一个著名的光的干涉实验，由此才开始动摇微粒说的统治地位。他让一狭窄的光束穿过两个十分靠近的小孔，尔后投射到一块白屏上，结果两束光在屏上重叠处呈现出一系列明暗交替的条纹。在暗条纹处，光的粒子跑到那儿去了？对此微粒说无法自圆其说，而波动说却能做出很好的解释。

　　接着，法国物理学家菲涅耳在1818年又做了一个著名的光的衍射实验。他的实验证明，如果障碍物足够小，以至可以和光的波长相比拟，那么光波在传播中就能绕过障碍物，而在障碍物的后面形成明暗相间的图样，这就是衍射图样。他运用惠更斯原理加以解释，使波动说得到进一步确立。

　　1871年，英国物理学家麦克斯韦总结前人在电学和磁学领域里的研究成果，提出了电磁场的完整理论，发表了著名的麦克斯韦方程组。他认为，电磁场是电磁波的载体，是能够贯穿一切的特殊媒质。他不仅预言了电磁波的存在，还推算出电磁波的传播速度恰好等于光速。于是，他大胆地预言：光也是一种电磁波。从此光便得到了一个新的名字——光波，并成为电磁波大家庭中的一员。

　　19世纪的最后一年，德国科学家普朗克引用物质结构理论中不连续性概念，提出了辐射的量子论。他认为，各种频率电磁波的能量辐射是不连续的，是由一份一份的能量单元组成的，每一份能量单元称为量子，能量辐射的增减都是以这个量子的整数倍进行的。他这样描绘发光物体：发射光波以一个一个量子的形式进行。发光物体发射出一个一个的“能量颗粒”，叫做光的量子。

　　1905年，伟大的科学家爱因斯坦运用普朗克的量子论，成功地解释了“光电效应”，并由此证明了光量子的存在。在此之前，德国物理学家列纳德曾发现，将一定波长的光照射到某些金属上，金属会逸出一些电子来，就好像光的力量将电子从金属原子中打出来似的，这叫做光电效应。爱因斯坦认为，光束携带能量在空间以不连续方式分布，形成一个一个的能量颗粒，称为光量子，简称光子。照射金属的光量子必须有一个最低限度的能量，才能使电子吸收足够的能量而从金属中逸出。换句话说，要把电子从金属中打出来，需要对金属原子做功，以克服金属对电子的束缚。光越强，光量子数越多，打出的电子就越多。对于同一种金属，用不同频率的光量子打出的电子速度也不同。爱因斯坦从这里导出了光电效应理论公式，并于10年后被实验精确地证实。由于这方面的成就，他获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

　　光量子论的提出，意味着早在半个多世纪以前的已被彻底推翻了的光的微粒说的复活，而使当时占绝对统治地位的“波动说”出现了对立面。但是，爱因斯坦并不是简单地回到“微粒说”，否定“波动说”，而是认为两者都反映了光的本质的一个侧面。

　　现代物理学认为，光既有波动性又有粒子性，称为光的波粒二象性。光在传播过程中主要表现出波动性，可以用电磁波理论来解释；光在与物质相互作用时较多地显示出粒子性，是在不同条件下物质运动特性的不同表现。

　　人们利用波动性和粒子性这两个矛盾的性质辩证统一来描绘光，得出了一幅关于光的较为完整的图画。但是，这种对光的本性的描绘，也只是反映了现阶段人们对光的本质的认识，还有一些光学现象不能彻底解释清楚。随着新的光学现象的不断发现和新的光学实验方法的不断应用，人们对于光的本质的认识一定会不断加深。

　　一句话，关于光的理论还没有最后完成，人类对光的认识还将继续发展。