神通激光

第三節 科學家給光畫像

　　光是什麽？古往今來，人們一直在探索這個問題的答案。

　　很久很久以前，古希臘人給光畫了一張像——人一睜開眼睛，光就從人眼睛裏流出來。他們認為，由於人的眼睛能夠自然而然地流出光來，所以人才會看到周圍的東西。

　　多少個世紀以來，人們運用人類逐漸積累起來的知識，給光勾畫了一張又一張畫像。有的似像非像，有的畫出了光的某些特點，卻沒有表現出其他特點。

　　1675年，英國科學家牛頓在解釋陽光通過三棱鏡產生7色光譜現象時，把光描繪為從發光物體發射出來並作高速直線運動的一種非常細小的粒子。這就是光的“微粒說”。這種學說很好地解釋了光的直線傳播、反射和折射，而對衍射、幹涉和偏振現象卻無能為力。

　　1678年，荷蘭物理學家惠更斯對光做出了完全不同的描繪：光是在充滿整個空間的特殊媒質“以太”中傳播的某種彈性波動，這就是光的“波動說”。一些科學家運用光的波動理論解釋了光的幹涉、衍射和偏振現象，但是，卻不能很好地解釋光的直線傳播。後來，邁克耳遜實驗還證明並不存在“以太”。

　　牛頓和惠更斯是同時代的人，微粒說和波動說各有長短，爭論不休。由於那時候的實驗條件和方法所限，無法判斷和證實兩種學說的真偽。微粒說能直觀地解釋光的直線傳播等現象，易於為人們所接受，所以在長時間裏占著上風。

　　1801年，英國物理學家托馬斯·楊做了一個著名的光的幹涉實驗，由此才開始動搖微粒說的統治地位。他讓一狹窄的光束穿過兩個十分靠近的小孔，爾後投射到一塊白屏上，結果兩束光在屏上重疊處呈現出一係列明暗交替的條紋。在暗條紋處，光的粒子跑到那兒去了？對此微粒說無法自圓其說，而波動說卻能做出很好的解釋。

　　接著，法國物理學家菲涅耳在1818年又做了一個著名的光的衍射實驗。他的實驗證明，如果障礙物足夠小，以至可以和光的波長相比擬，那麽光波在傳播中就能繞過障礙物，而在障礙物的後麵形成明暗相間的圖樣，這就是衍射圖樣。他運用惠更斯原理加以解釋，使波動說得到進一步確立。

　　1871年，英國物理學家麥克斯韋總結前人在電學和磁學領域裏的研究成果，提出了電磁場的完整理論，發表了著名的麥克斯韋方程組。他認為，電磁場是電磁波的載體，是能夠貫穿一切的特殊媒質。他不僅預言了電磁波的存在，還推算出電磁波的傳播速度恰好等於光速。於是，他大膽地預言：光也是一種電磁波。從此光便得到了一個新的名字——光波，並成為電磁波大家庭中的一員。

　　19世紀的最後一年，德國科學家普朗克引用物質結構理論中不連續性概念，提出了輻射的量子論。他認為，各種頻率電磁波的能量輻射是不連續的，是由一份一份的能量單元組成的，每一份能量單元稱為量子，能量輻射的增減都是以這個量子的整數倍進行的。他這樣描繪發光物體：發射光波以一個一個量子的形式進行。發光物體發射出一個一個的“能量顆粒”，叫做光的量子。

　　1905年，偉大的科學家愛因斯坦運用普朗克的量子論，成功地解釋了“光電效應”，並由此證明了光量子的存在。在此之前，德國物理學家列納德曾發現，將一定波長的光照射到某些金屬上，金屬會逸出一些電子來，就好像光的力量將電子從金屬原子中打出來似的，這叫做光電效應。愛因斯坦認為，光束攜帶能量在空間以不連續方式分布，形成一個一個的能量顆粒，稱為光量子，簡稱光子。照射金屬的光量子必須有一個最低限度的能量，才能使電子吸收足夠的能量而從金屬中逸出。換句話說，要把電子從金屬中打出來，需要對金屬原子做功，以克服金屬對電子的束縛。光越強，光量子數越多，打出的電子就越多。對於同一種金屬，用不同頻率的光量子打出的電子速度也不同。愛因斯坦從這裏導出了光電效應理論公式，並於10年後被實驗精確地證實。由於這方麵的成就，他獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。

　　光量子論的提出，意味著早在半個多世紀以前的已被徹底推翻了的光的微粒說的複活，而使當時占絕對統治地位的“波動說”出現了對立麵。但是，愛因斯坦並不是簡單地回到“微粒說”，否定“波動說”，而是認為兩者都反映了光的本質的一個側麵。

　　現代物理學認為，光既有波動性又有粒子性，稱為光的波粒二象性。光在傳播過程中主要表現出波動性，可以用電磁波理論來解釋；光在與物質相互作用時較多地顯示出粒子性，是在不同條件下物質運動特性的不同表現。

　　人們利用波動性和粒子性這兩個矛盾的性質辯證統一來描繪光，得出了一幅關於光的較為完整的圖畫。但是，這種對光的本性的描繪，也隻是反映了現階段人們對光的本質的認識，還有一些光學現象不能徹底解釋清楚。隨著新的光學現象的不斷發現和新的光學實驗方法的不斷應用，人們對於光的本質的認識一定會不斷加深。

　　一句話，關於光的理論還沒有最後完成，人類對光的認識還將繼續發展。