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从探索与实践中认识光现象的本质 陈建平 （浙江省邮电职业技术学院 浙江 绍兴 312000） 摘要：文章阐述了从古至今人们对光的不断认识、研究和探索，论述了科学家们在实践基础上对光现象进行的各种学说假设，以及不同时期的学术流派对光本质的学术争辩。 关键词：光学本质；光学发展；光学应用 中图分类号：O24；O4-45; O21 文献标识码：A 人来到这个世界上，一睁开眼睛就开始与光打交道，人类对外界的认知绝大部分都是通过视觉系统摄入信息，对各种自然现象的观察分析研究都离不开光。那么光的本质到底是什么呢？这看起来似乎很简单的问题，从古到今一直被众多人所关注，特别是十七世纪后半叶至本世纪初，科学家们争论了长达三百多年的时间，这场富有戏剧性学术大辩论，参与的人数之多，时间之久，辩争之激烈，不但在光学发展史上是绝无仅有的，即使在整个自然科学发展史上也是极为罕见的。今天我们回顾这些认识和探索的曲折过程，体验一下先辈们在实践中探索追求真理的艰难历程，也许对我们会有所启迪。 一、几何光学的建立 光学作为物理学的最早分支，与古老的力学一样，我国古人对光学的认识和研究都走在了世界的前列。早在公元前五世纪，对光的直线传播、光的反射和折射现象就有较为详实的文字资料记载。[1]多年前的希腊天文学家托勒玫（Ptolemy，约公元90—168年）通过对光折射现象的定量研究，测出了光从空气进入水中入射角与折射角的相关数据，并得出“折射角与入射角成正比”的近似结论。德国天文学家开普勒（Kepler，1571—1630年）对托勒玫结论进行了修正，但是在相当长的时间里人们始终没有找到一个满意的答案。直到1621年折射定律的精确形式才有荷兰数学家斯涅耳（Willebrord Snell，1580—1626年）发现，1637年由笛卡儿（Descartes，1596—1650年）公布于世 ，至此几何光学才渐渐形成了比较完整的体系。 几何光学的基本原理的要点可表述为：1、光的直线传播（直射）定律；2、光的反射定律；3、光的折射定律（包括全反射现象）；4、光的独立传播定律；5、光路可逆原理。以上几个基本原理，一般情况下只适用于光在各向均匀的介质中传播，对于光在非均匀介质中的传播规律，法国数学家费马（Fermat，1601—1665年）用数学方法推出了更为普遍的“费马原理”： 若光在A到B的空间里充满了折射率连续改变的介质，刚光路是一条曲线（如图） 将AB分为许多段元，每一段元上的折射率可视为常数 ，则相应的光程 B （折射率与几何长度的乘积）为：，由A到B的总光程为： ，沿AB所需的时间： C为光速），根据变分法原理， A 时间t有极值的条件是上式的定积分的变分为零，即： 或 [2] 上两式是费马原理的数学表达式，可以理解为：光从空间的一点传到另一点是沿着光程为极值的路径传播，也就是说是光沿着光程为最小、最大或常数的路径传播。这是一个非常有趣而极奇妙的现象，光从一点出发到达另一点，它自己会事先计算出沿哪一条路径所化的时间是最短,，可以想象光的“计算”速度是何等之快，因为我们现在知道光了光的传播速度已经是足够快的了。费马原理不但解决了光在不均匀介质中的传播问题，而且根据这个原理可以推导出几何光学的所有基本原理，所以我们说费马原理是几何光学的高度概括。 二、微粒说与波动说 1666年，年轻的牛顿（Newton，1642—1727年）在做光的折射实验时，偶然发现同一玻璃棱镜对不同颜色的光有不同的折射率。进一步的研究他发现了光的色散现象。牛顿仿照他自己著名的经典力学的定义，他认为光是一种高速流动的微粒，这些微粒从光源出发飞出，就象从枪管里连续发射出的子弹一样，在均匀介质中沿直线传播，这种理论很形象地说明了光的直线传播现象。牛顿还用力学中弹性小球碰撞平面的反弹来类比解释光的反射.至于光的折射牛顿认为是由于介质对光微粒的引力不同，使光线的传播速度发生变化而引起的。牛顿关于光的微粒学说，对当时已经发现的光现象的解释取得了一定的成功，而且由于它符合人们的直观感觉，很容易被大众所接受。 当时意大利教授格利马弟（Grimaldi）发现，在点光源的照射下，一根棒的影子边缘比较模糊，并不象几何投影那样黑白分明。他认为这是光线绕过棒的边缘进入影子的区域而造成的，这是第一次对光的直线传播理论提出了挑战。可惜当时这个现象并没有引起人们的重视。 与牛顿同一时代的荷兰物理学家惠更斯（Huygens，1629—1695年）是牛顿光的微粒说的反对者，惠更斯1678年在法国科学院发表演讲，公开反对微粒说，提出光的波