● 光學(xué)的發(fā)展簡史
狹義來說，光學(xué)是關(guān)于光和視見的科學(xué)，optics(光學(xué))這個詞，早期只用于跟眼睛和視見相聯(lián)系的事物。而今天，常說的光學(xué)是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見光、紫外線直到 X射線的寬廣波段范圍內(nèi)的，關(guān)于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯示，以及跟物質(zhì)相互作用的科學(xué)。
光學(xué)是物理學(xué)的一個重要組成部分，也是與其他應(yīng)用技術(shù)緊密相關(guān)的學(xué)科。
光學(xué)的發(fā)展簡史
光學(xué)是一門有悠久歷史的學(xué)科，它的發(fā)展史可追溯到2000多年前。
人類對光的研究，最初主要是試圖回答“人怎么能看見周圍的物體？”之類問題。約在公元前400多年(先秦的代)，中國的《墨經(jīng)》中記錄了世界上最早的光學(xué)知識。它有八條關(guān)于光學(xué)的記載，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系。
自《墨經(jīng))開始，公元11世紀(jì)阿拉伯人伊本·海賽木發(fā)明透鏡；公元1590年到17世紀(jì)初，詹森和李普希同時獨(dú)立地發(fā)明顯微鏡；一直到17世紀(jì)上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀察結(jié)果，歸結(jié)為今天大家所慣用的反射定律和折射定律。
1665年，牛頓進(jìn)行太陽光的實驗，它把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成一個顏色按一定順序排列的光分布——光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特征，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。
牛頓還發(fā)現(xiàn)了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學(xué)平玻璃板上，當(dāng)用白光照射時，則見透鏡與玻璃平板接觸處出現(xiàn)一組彩色的同心環(huán)狀條紋；當(dāng)用某一單色光照射時，則出現(xiàn)一組明暗相間的同心環(huán)條紋，后人把這種現(xiàn)象稱牛頓環(huán)。借助這種現(xiàn)象可以用第一暗環(huán)的空氣隙的厚度來定量地表征相應(yīng)的單色光。
牛頓在發(fā)現(xiàn)這些重要現(xiàn)象的同時，根據(jù)光的直線傳播性，認(rèn)為光是一種微粒流。微粒從光源飛出來，在均勻媒質(zhì)內(nèi)遵從力學(xué)定律作等速直線運(yùn)動。牛頓用這種觀點對折射和反射現(xiàn)象作了解釋。
惠更斯是光的微粒說的反對者，他創(chuàng)立了光的波動說。提出“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ摹�。并且指出光振動所達(dá)到的每一點，都可視為次波的振動中心、次波的包絡(luò)面為傳播波的波陣面(波前)。在整個18世紀(jì)中，光的微粒流理論和光的波動理論都被粗略地提了出來，但都不很完整。
19世紀(jì)初，波動光學(xué)初步形成，其中托馬斯·楊圓滿地解釋了“薄膜顏色”和雙狹縫干涉現(xiàn)象。菲涅耳于1818年以楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，也能解釋光的直線傳播。
在進(jìn)一步的研究中，觀察到了光的偏振和偏振光的干涉。為了解釋這些現(xiàn)象，菲涅耳假定光是一種在連續(xù)媒質(zhì)(以太)中傳播的橫波。為說明光在各不同媒質(zhì)中的不同速度，又必須假定以太的特性在不同的物質(zhì)中是不同的；在各向異性媒質(zhì)中還需要有更復(fù)雜的假設(shè)。此外，還必須給以太以更特殊的性質(zhì)才能解釋光不是縱波。如此性質(zhì)的以太是難以想象的。
1846年，法拉第發(fā)現(xiàn)了光的振動面在磁場中發(fā)生旋轉(zhuǎn)；1856年，韋伯發(fā)現(xiàn)光在真空中的速度等于電流強(qiáng)度的電磁單位與靜電單位的比值。他們的發(fā)現(xiàn)表明光學(xué)現(xiàn)象與磁學(xué)、電學(xué)現(xiàn)象間有一定的內(nèi)在關(guān)系。
1860年前后，麥克斯韋的指出，電場和磁場的改變，不能局限于空間的某一部分，而是以等于電流的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播著，光就是這樣一種電磁現(xiàn)象。這個結(jié)論在1888年為赫茲的實驗證實。
然而，這樣的理論還不能說明能產(chǎn)生象光這樣高的頻率的電振子的性質(zhì)，也不能解釋光的色散現(xiàn)象。到了1896年洛倫茲創(chuàng)立電子論，才解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸收光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點，包括對色散現(xiàn)象的解釋。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無限的不動的媒質(zhì)，其唯一特點是，在這種媒質(zhì)中光振動具有一定的傳播速度。
對于像熾熱的黑體的輻射中能量按波長分布這樣重要的問題，洛倫茲理論還不能給出令人滿意的解釋。并且，如果認(rèn)為洛倫茲關(guān)于以太的概念是正確的話，則可將不動的以太選作參照系，使人們能區(qū)別出絕對運(yùn)動。而事實上，1887年邁克耳遜用干涉儀測“以太風(fēng)”，得到否定的結(jié)果，這表明到了洛倫茲電子論時期，人們對光的本性的認(rèn)識仍然有不少片面性。
1900年，普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他認(rèn)為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。
量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長分布的規(guī)律，而且以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個問題。量子論不但給光學(xué)，也給整個物理學(xué)提供了新的概念，所以通常把它的誕生視為近代物理學(xué)的起點。
1905年，愛因斯坦運(yùn)用量子論解釋了光電效應(yīng)。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物質(zhì)相互作用時，光也是以光子為最小單位進(jìn)行的。
1905年9月，德國《物理學(xué)年鑒》發(fā)表了愛因斯坦的“關(guān)于運(yùn)動媒質(zhì)的電動力學(xué)”一文。第一次提出了狹義相對論基本原理，文中指出，從伽利略和牛頓時代以來占統(tǒng)治地位的古典物理學(xué)，其應(yīng)用范圍只限于速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速的情況，而他的新理論可解釋與很大運(yùn)動速度有關(guān)的過程的特征，根本放棄了以太的概念，圓滿地解釋了運(yùn)動物體的光學(xué)現(xiàn)象。
這樣，在20世紀(jì)初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運(yùn)動物體的光學(xué)現(xiàn)象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應(yīng)、光壓以及光的化學(xué)作用等無可懷疑地證明了光的量子性——微粒性。
1922年發(fā)現(xiàn)的康普頓效應(yīng)，1928年發(fā)現(xiàn)的喇曼效應(yīng)，以及當(dāng)時已能從實驗上獲得的原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，它們都表明光學(xué)的發(fā)展是與量子物理緊密相關(guān)的。光學(xué)的發(fā)展歷史表明，現(xiàn)代物理學(xué)中的兩個最重要的基礎(chǔ)理論——量子力學(xué)和狹義相對論都是在關(guān)于光的研究中誕生和發(fā)展的。
此后，光學(xué)開始進(jìn)入了一個新的時期，以致于成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿的重要組成部分。其中最重要的成就，就是發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦于1916年預(yù)言過的原子和分子的受激輻射，并且創(chuàng)造了許多具體的產(chǎn)生受激輻射的技術(shù)。
愛因斯坦研究輻射時指出，在一定條件下，如果能使受激輻射繼續(xù)去激發(fā)其他粒子，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似地獲得放大效果，最后就可得到單色性極強(qiáng)的輻射，即激光。1960年，梅曼用紅寶石制成第一臺可見光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年產(chǎn)生了半導(dǎo)體激光器；1963年產(chǎn)生了可調(diào)諧染料激光器。由于激光具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年發(fā)現(xiàn)以來，得到了迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，引起了科學(xué)技術(shù)的重大變化。
光學(xué)的另一個重要的分支是由成像光學(xué)、全息術(shù)和光學(xué)信息處理組成的。這一分支最早可追溯到1873年阿貝提出的顯微鏡成像理論，和1906年波特為之完成的實驗驗證；1935年澤爾尼克提出位相反襯觀察法，并依此由蔡司工廠制成相襯顯微鏡，為此他獲得了1953年諾貝爾物理學(xué)獎；1948年伽柏提出的現(xiàn)代全息照相術(shù)的前身——波陣面再現(xiàn)原理，為此，伽柏獲得了1971年諾貝爾物理學(xué)獎。
自20世紀(jì)50年代以來，人們開始把數(shù)學(xué)、電子技術(shù)和通信理論與光學(xué)結(jié)合起來，給光學(xué)引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關(guān)運(yùn)算等概念，更新了經(jīng)典成像光學(xué)，形成了所謂“博里葉光學(xué)”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特內(nèi)克斯改進(jìn)了的全息術(shù)，形成了一個新的學(xué)科領(lǐng)域——光學(xué)信息處理。光纖通信就是依據(jù)這方面理論的重要成就，它為信息傳輸和處理提供了嶄新的技術(shù)。
在現(xiàn)代光學(xué)本身，由強(qiáng)激光產(chǎn)生的非線性光學(xué)現(xiàn)象正為越來越多的人們所注意。激光光譜學(xué)，包括激光喇曼光譜學(xué)、高分辨率光譜和皮秒超短脈沖，以及可調(diào)諧激光技術(shù)的出現(xiàn)，已使傳統(tǒng)的光譜學(xué)發(fā)生了很大的變化，成為深入研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動規(guī)律及能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的重要手段。它為凝聚態(tài)物理學(xué)、分子生物學(xué)和化學(xué)的動態(tài)過程的研究提供了前所未有的技術(shù)。
光學(xué)的研究內(nèi)容
我們通常把光學(xué)分成幾何光學(xué)、物理光學(xué)和量子光學(xué)。
幾何光學(xué)是從幾個由實驗得來的基本原理出發(fā)，來研究光的傳播問題的學(xué)科。它利用光線的概念、折射、反射定律來描述光在各種媒質(zhì)中傳播的途徑，它得出的結(jié)果通常總是波動光學(xué)在某些條件下的近似或極限。
物理光學(xué)是從光的波動性出發(fā)來研究光在傳播過程中所發(fā)生的現(xiàn)象的學(xué)科，所以也稱為波動光學(xué)。它可以比較方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向異性的媒質(zhì)中傳插時所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。
波動光學(xué)的基礎(chǔ)就是經(jīng)典電動力學(xué)的麥克斯韋方程組。波動光學(xué)不詳論介電常數(shù)和磁導(dǎo)率與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，而側(cè)重于解釋光波的表現(xiàn)規(guī)律。波動光學(xué)可以解釋光在散射媒質(zhì)和各向異性媒質(zhì)中傳播時現(xiàn)象，以及光在媒質(zhì)界面附近的表現(xiàn)；也能解釋色散現(xiàn)象和各種媒質(zhì)中壓力、溫度、聲場、電場和磁場對光的現(xiàn)象的影響。
量子光學(xué) 1900年普朗克在研究黑體輻射時，為了從理論上推導(dǎo)出得到的與實際相符甚好的經(jīng)驗公式，他大膽地提出了與經(jīng)典概念迥然不同的假設(shè)，即“組成黑體的振子的能量不能連續(xù)變化，只能取一份份的分立值”。
1905年，愛因斯坦在研究光電效應(yīng)時推廣了普朗克的上述量子論，進(jìn)而提出了光子的概念。他認(rèn)為光能并不像電磁波理論所描述的那樣分布在波陣面上，而是集中在所謂光子的微粒上。在光電效應(yīng)中，當(dāng)光子照射到金屬表面時，一次為金屬中的電子全部吸收，而無需電磁理論所預(yù)計的那種累積能量的時間，電子把這能量的一部分用于克服金屬表面對它的吸力即作逸出功，余下的就變成電子離開金屬表面后的動能。
這種從光子的性質(zhì)出發(fā)，來研究光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科即為量子光學(xué)。它的基礎(chǔ)主要是量子力學(xué)和量子電動力學(xué)。
光的這種既表現(xiàn)出波動性又具有粒子性的現(xiàn)象既為光的波粒二象性。后來的研究從理論和實驗上無可爭辯地證明了：非但光有這種兩重性，世界的所有物質(zhì)，包括電子、質(zhì)子、中子和原子以及所有的宏觀事物，也都有與其本身質(zhì)量和速度相聯(lián)系的波動的特性。
應(yīng)用光學(xué) 光學(xué)是由許多與物理學(xué)緊密聯(lián)系的分支學(xué)科組成；由于它有廣泛的應(yīng)用，所以還有一系列應(yīng)用背景較強(qiáng)的分支學(xué)科也屬于光學(xué)范圍。例如，有關(guān)電磁輻射的物理量的測量的光度學(xué)、輻射度學(xué)；以正常平均人眼為接收器，來研究電磁輻射所引起的彩色視覺，及其心理物理量的測量的色度學(xué)；以及眾多的技術(shù)光學(xué)：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及光學(xué)儀器理論，光學(xué)制造和光學(xué)測試，干涉量度學(xué)、薄膜光學(xué)、纖維光學(xué)和集成光學(xué)等；還有與其他學(xué)科交叉的分支，如天文光學(xué)、海洋光學(xué)、遙感光學(xué)、大氣光學(xué)、生理光學(xué)及兵器光學(xué)等。
牛頓對光學(xué)的研究
英國物理學(xué)家牛頓（I.Newton,1642-1727）
1、色散現(xiàn)象的早期研究
色散也是一個古老的課題，最引人注目的是彩虹現(xiàn)象。早在13世紀(jì)，科學(xué)家就對彩虹的成因進(jìn)行了探討。
德國有一位傳教士叫西奧多里克（Theodoric），曾在實驗中模仿天上的彩虹。他利用陽光照射裝滿水的大玻璃球殼，觀察到了和空中一樣的彩虹，以此說明彩虹是由于空氣中水珠反射和折射陽光造成的現(xiàn)象。不過，他進(jìn)一步解釋沒有擺脫亞里斯多德的教義，繼續(xù)認(rèn)為各種顏色的產(chǎn)生是由于光受到不同阻滯所引起。光的四種顏色：紅、黃、綠、藍(lán)，處于白與黑之間，紅色接近白色，比較明亮，藍(lán)色接近黑色，比較昏暗。陽光進(jìn)入媒質(zhì)（例如水），從表面區(qū)域折射回來的是紅色或黃色，從深部折射回來的是綠色或藍(lán)色。雨后天空中充滿水珠，陽光進(jìn)入水珠再折射回來，人們就看到色彩繽紛的景象。
笛卡兒對彩虹現(xiàn)象也有興趣，他用實驗檢驗西奧多里克的認(rèn)述。
在他的《方法論》（1637）中還有一篇附錄，專門討論彩虹，并且介紹了他自己做過的棱鏡實驗，如圖所示。他用三棱鏡將陽光折射后投在屏上，發(fā)現(xiàn)彩色的產(chǎn)生并不是由于進(jìn)入媒質(zhì)深淺不同所造成。因為不論光照在棱鏡的那一部位，折射后屏上的圖象都是一樣的。遺憾的是，笛卡兒的屏離棱鏡太近（大概只有幾厘米），他沒有看到色散后的整個光譜，只注意到光帶的兩側(cè)分別呈現(xiàn)藍(lán)色和紅色。
1648年，布拉格的馬爾西用三棱鏡演示色散成功。不過他解釋錯了。他認(rèn)為紅色是濃縮了的光，藍(lán)色是稀釋了的光；之所以會出現(xiàn)五顏六色，是由于光受物質(zhì)的不同作用，因而呈現(xiàn)各種不同的顏色。
17世紀(jì)正當(dāng)望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡問世，伽利略運(yùn)用望遠(yuǎn)鏡觀察天體星辰，胡克用顯微鏡觀察小物體，激起了廣大科學(xué)界的興趣。然而，當(dāng)放大倍數(shù)增大時，這些儀器不可避免地都會出現(xiàn)象差和色差，使人們深感迷惑。
人們不理解，為什么在圖象的邊緣總會出現(xiàn)顏色？這和彩虹有沒有共同之處？這類現(xiàn)象有什么規(guī)律性？怎樣才能消除？
這時，牛頓正在英國劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)。他的老師中有一位數(shù)學(xué)教授名叫巴羅（Isaac Barrow,1630-1677），對光學(xué)很有研究。牛頓聽過他講光學(xué)，還邦他寫《光學(xué)講義》。牛頓很喜歡做光學(xué)實驗，還親自動手磨制透鏡，想按自己的設(shè)計裝配出差的顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡。這個愿望激勵他對光的顏色的本性進(jìn)行深入的探討。
2、牛頓對色散現(xiàn)象的思考
牛頓從笛卡兒等人的著作中得到許多啟示。例如笛卡兒說過：“運(yùn)動慢的光線比運(yùn)動快的光線折射得更厲害，”胡克描述過肥皂泡的顏色變化，認(rèn)為不同的顏色是光脈沖對視網(wǎng)膜留下的不同印象。紅色和藍(lán)色是原色，其它顏色都是由這兩種顏色合成和沖淡而成。牛頓注意到這些說法的合理成分，同時也提出許多疑問。
在牛頓留下的手稿中，記錄了許多當(dāng)年的疑問微壓測高計思考，
例如，他問道： 如果光是脈沖，為什么不像聲音那樣在傳播中偏離直線？
為什么弱的脈沖比強(qiáng)的脈沖運(yùn)動快？
為什么水比水蒸汽更清晰？
為什么煤是黑的，煤燒成的灰反而是白的？
牛頓不滿意前人（包括他的老師）對光現(xiàn)象的解釋，就自己動手做起了一系列的實驗。
3、牛頓的色散實驗
牛頓從笛卡兒的棱鏡實驗得到啟發(fā)，又借鑒于胡克和玻意耳的分光實驗。胡克用了一只充滿水的燒瓶代替棱鏡，屏距折射位置大約60厘米，玻意耳把棱鏡散射的光投到1米多高的天花板上，而牛頓則將距離擴(kuò)展為6-7米，從室外由洞口進(jìn)入的陽光經(jīng)過三棱鏡后直接投射到對面的墻上。這樣，他就獲得了展開的光譜，而前面的幾位實驗者只看到兩側(cè)帶顏色的光斑。
牛頓高明之處就在下他已經(jīng)意識到了不同顏色的光具有不同的折射性能，只有拉長距離才能分解開不同折射角的光線。
為了證明紅光和藍(lán)光各具不同的折射性能，牛頓用棱鏡做了如下的實驗。 如圖所示，在一張黑線上畫一條線，半邊為深藍(lán)色，半邊為深紅色，比棱鏡觀看，只見這根線好象折斷了似的，分界處正是紅藍(lán)之交，藍(lán)色部分比紅色部分更靠近棱脊�？梢娝{(lán)光比紅光受到更大的折射。
為了證明色散現(xiàn)象不是由于棱鏡跟陽光的相互作用，也不是由于其它原因，而是由于不同顏色具有不同的折射性，牛頓又做了一個實驗。 他拿三個棱鏡做實驗，三個棱鏡完全相同，只是放置方式不一樣，如圖所示，倘若分散是由于棱鏡的不平或其它偶然的不規(guī)則性，那么第二個棱鏡和第三個棱鏡就會增加這一分散性�？墒菍嶒灲Y(jié)果是，原來分散的各種顏色，經(jīng)過第二個棱鏡后又還原成白光，形狀和原來的一樣。再經(jīng)過第三個棱鏡，又分解成各種顏色。由此證明，棱鏡的作用是使白光分解為不同成分，又可使不同光分合成為白光。牛頓的這一科學(xué)論斷和當(dāng)時已流傳上千年的觀念是格格不入的。他預(yù)料會遭到科學(xué)界的反對，于是又做了一個很有說服力的實驗。牛頓把這個實驗稱為“判決性實驗”，如圖所示。 他拿兩塊木板，一塊放在窗口緊貼棱鏡處，光從平行進(jìn)入后經(jīng)棱鏡折射穿過小孔，各種顏色以不同的角度射向另一塊木板。離約4米遠(yuǎn)，板上也開有不孔，在后面也放有一塊三棱鏡，使穿進(jìn)的光再折射后抵達(dá)墻壁。牛頓手持第一塊棱鏡，緩緩繞其軸旋轉(zhuǎn)，這樣使第二塊木板上的不同顏色的光相繼穿過到達(dá)三棱鏡。實驗結(jié)果是：被第一塊棱鏡折射得最厲害的紫光，經(jīng)第二塊棱鏡也偏折最多。由此可見，白光確是由折射性能不同的光組成。在色散實驗的基礎(chǔ)上，牛頓總結(jié)出了幾條規(guī)律，即：
1.光線隨其折射率不同，色也不同。色不是光的變態(tài)，而是光線原來的、固有的屬性。
2.同一色屬于同一折射率，不同的色，折射率不同。
3.色的種類和折射的程度是光線所固有的，不會因折射、反射或其它任何原因而改變。
4.必須區(qū)分兩種顏色，一種是原始的、單純的色，另一種是由原始的顏色復(fù)合而成的色。
5.本身是白色的光線是沒有的我，白色是由所有的光線按適當(dāng)比例混合而成的色。
6.由此可解釋棱鏡形成各種色綿現(xiàn)象及彩虹的形成。
7.自然物體的色是由于對某種光的反射大于其它光反射的緣故。
8.把光看成實體有充分的根據(jù)。
光的本性學(xué)說的發(fā)展史
光學(xué)是物理學(xué)中發(fā)展較早的一門分支。早在17世紀(jì)，關(guān)于光的本性問題，眾說紛紜，此起彼伏，但是歸納起來，不外乎微粒說與波動說兩種。這兩種學(xué)說在不同時期各自占據(jù)著統(tǒng)治地位。隨著人們認(rèn)識的發(fā)展，對粒子和波的概念的看法也有所發(fā)展，它促進(jìn)了物理學(xué)的理論的發(fā)展和完善。
1．微粒說：牛頓主張的學(xué)說
(1)內(nèi)容：光是沿直線高速傳播的粒子流。
(2)主要代表人物：著名物理學(xué)家牛頓。
(3)實驗基礎(chǔ)：光的直線傳播。
(4)能解釋的現(xiàn)象：牛頓認(rèn)為光是一種細(xì)微的大小不同的而又迅速運(yùn)動的粒子，這些粒子遵守力學(xué)定律，它們在真空中或均勻介質(zhì)中由于慣性而作勻速直線運(yùn)動，因此，光的微粒說能較好地簡明直觀地解釋光的直線傳播和光的反射定律以及影的形成和光的色散現(xiàn)象。
(5)微粒說的困難：
①解釋光的折射定律比較麻煩，根據(jù)牛頓的推算，光在介質(zhì)中速度要比光在真空中速度要大(后來知道這是錯誤的，可是當(dāng)時無法判斷這個推算正確與否)。
②不能解釋光的獨(dú)立傳播定律：如幾束光相遇后會彼此毫無妨礙地繼續(xù)向前傳播。如果把光看成微粒，那么它將象飛行子彈那樣在傳播過程中相碰撞，因而要改變傳播方向，但這與事實是不符的。這表明光的獨(dú)立傳播與光的機(jī)械微粒流概念是不相容的，它成為微粒說的致命弱點。
③在介質(zhì)表面同時存在的反射及折射現(xiàn)象微粒說遇到困難：牛頓認(rèn)為光的反射是由于光微粒受到介質(zhì)的排斥所致，折射是微粒受到介質(zhì)的吸引所致，那么一束光射到介質(zhì)表面時，既有反射又有折射，為什么介質(zhì)對光微�！坝杏H有疏”呢？
④光的衍射現(xiàn)象更難用微粒說解釋。
2．波動說：惠更斯提出的學(xué)說
(1)17世紀(jì)的波動說(早期波動說)
①內(nèi)容：光是某種振動在介質(zhì)中的傳播，即光是某種波。
②主要代表人物：惠更斯。
③實驗基礎(chǔ)：光的獨(dú)立傳播規(guī)律。
④能解釋的現(xiàn)象：波的反射、折射現(xiàn)象比較常見，所以波動說解釋光的反射、折射是可以令人信服的；對光疊加后又可無妨礙地繼續(xù)向前傳播的解釋，也是比較完美的。
⑤波動說的困難：由于惠更斯時代對光的波長是“很短、很短”這一點還不清楚，因此對光照射到不透明物體后會留下清晰的影子，還解釋不了(亦即解釋不了光的直線傳播規(guī)律)盡管當(dāng)時已發(fā)現(xiàn)了光的衍射現(xiàn)象，卻沒有給波動說提供什么理論優(yōu)勢。
(2)微粒說與波動說的爭論
①爭論的焦點：對折射現(xiàn)象的分析，兩種學(xué)說得到不同結(jié)論：微粒說得出光在光密介質(zhì)中光速大于光疏介質(zhì)中光速；波動說得出光在光密介質(zhì)中光速小于光疏介質(zhì)中光速。但是，由于當(dāng)時實驗條件限制，無法測量光速，所以無法判斷誰對誰錯，因此二者爭論達(dá)一個世紀(jì)多。
②微粒說的稱雄：兩學(xué)說幾乎是同一時代產(chǎn)生的，各有成功的一方面，但都不能完美地解釋當(dāng)時知道的各種光現(xiàn)象。但19世紀(jì)以前，微粒說一直占統(tǒng)治地位，其原因有以下幾點：
a．在17、18世紀(jì)中經(jīng)典力學(xué)已成了完美的科學(xué)體系，在解釋自然現(xiàn)象時和應(yīng)用于實踐方面十分得力。人們自然容易接受機(jī)械運(yùn)動模型光的微粒說。
b．牛頓的威望比惠更斯高，權(quán)威們的思想觀點容易被人們所接受。
c．波動說還不完善，比較粗糙，對解釋光的直線傳播沒有足夠的說服力。
(2)波動說的復(fù)興
①托馬斯·揚(yáng)的貢獻(xiàn)：1800年至1804年，托馬斯·揚(yáng)進(jìn)一步擴(kuò)充和發(fā)展了惠更斯的波動說，明確提出了光具有頻率和波長，完善了光波概念。1801年他在實驗室中做了獨(dú)創(chuàng)的雙孔干涉實驗，成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象，并且總結(jié)出了干涉原理。
②菲涅耳的貢獻(xiàn)：1815年菲涅耳向法國科學(xué)院提交了對于光的衍射報告，他以光波干涉的思想補(bǔ)充了惠更斯原理，明確了惠更斯原理的物理意義(后來稱為惠更斯——菲涅耳原理)。成功地解釋了各種衍射現(xiàn)象。
【說明】泊松亮斑：
菲涅耳理論公布以后，著名數(shù)學(xué)家泊松根據(jù)菲涅耳的理論推算出在圓板陰影的中心應(yīng)該出現(xiàn)一個亮斑。由于從來沒有人報道過這樣的事情，并且在影子中央出現(xiàn)亮斑，似乎是十分荒謬的，所以泊松興高采烈地宣布他駁倒了菲涅耳的波動理論。但菲涅耳和阿拉果立即用實驗精彩地證實了這一結(jié)論，后來人們把這種現(xiàn)象戲稱“泊松亮斑。”
③波動說的稱雄：光的干涉和衍射現(xiàn)象無可置辯地說明光具有波動性。19世紀(jì)前期，光的波動理論已圓滿地解釋了光的直線傳播和獨(dú)立傳播定律；光的反射與折射定律；對于光的干涉、衍射等現(xiàn)象也做了理論上的解釋與實驗上的驗證。特別是在“泊松亮斑”的事實下，微粒說迅速崩潰，波學(xué)得到了人們的公認(rèn)。至此，光的波動說發(fā)展進(jìn)行了全盛時期。
3．電磁說：麥克斯韋建立的理論
(1)內(nèi)容：光是一種電磁波。
(2)代表人物：麥克斯韋。
(3)實驗基礎(chǔ)：
①光和電磁波一樣都具有波的性質(zhì)，都能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射現(xiàn)象。
②光和電磁波在真空中的速度相等，均等于c=3.0×108m/s。光和電磁波都可以在真空中傳播。
③光和電磁波都是橫波。
④實驗驗證：赫茲在實驗中產(chǎn)生了電磁波，并且證明了電磁波也跟光波一樣具有反射、折射、干涉、衍射等性質(zhì)。他還通過干涉實驗測出了一定頻率的電磁波的波長，算出了電磁波的波速，結(jié)果跟麥克斯韋關(guān)于電磁波的波速等于光速的預(yù)言符合得相當(dāng)好。這就證明了麥克斯韋的光的電磁理論是正確的。至此，光的波動理論上升為一個嶄新的階段——光的電磁波動理論階段。
4．光子說：愛因斯坦創(chuàng)立的學(xué)說
(1)內(nèi)容：在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子，光子的能量跟它的頻率成正比。
光子能量E=hv，其中h為普朗克恒量，h=6.63×10-34J·s。
(2)代表人物：著名物理學(xué)家愛因斯坦。
(3)實驗基礎(chǔ)：光電效應(yīng)。光的波動理論在光電效應(yīng)面前遇到了無法逾越的障礙。愛因斯坦針對光電效應(yīng)現(xiàn)象在普朗克量子假設(shè)的基礎(chǔ)上提出了光量子假設(shè)：電磁輻射不僅在發(fā)射和吸收時是以能量為hv形式出現(xiàn)，而且還以微粒的形式在空間以光速傳播。即電磁場實際上以量子形態(tài)存在，它不僅在吸收和發(fā)射時能量是分立的，就是在傳播中也具有同樣性質(zhì)；電磁場由光量子組成，每一份光量子的能量為hv，這里，他肯定光具有粒子性，但并不否定光的波動性。牛頓的微粒說是愛因斯坦光量子思想的起源。他用動量和能量來描述光的粒子性，用波長和頻率來描述光的波動性。愛因斯坦光量子理論的重要意義，不僅在于對光電效應(yīng)作出了正確的解釋，更重要的是將光視為是波動論和微粒論的一種融合體——光的波粒二象性，使人們對光的本性的認(rèn)識更前進(jìn)了一大步。
● 光 的 發(fā) 展 史
什么是光？
光是什么？
讓我們
撫去歲月的風(fēng)塵
打開歷史的卷面
踏著前人的足跡
回顧一下光學(xué)說的發(fā)展
* * * * * *
在很早很早以前，有一本名為《圣經(jīng)》的書里有這樣一句話：崐神說，要有光，就有了光。這句斷言把光的全部問題一筆勾消，崐因為這句話的意思是：光亮不過是黑暗的反面，是讓人能看見東崐西的環(huán)境�？墒枪畔ＥD人確認(rèn)為光具有客觀現(xiàn)實性，是一種象從水龍頭射出的水那樣從人們的眼睛射出的東西。我們之所以能看崐見物體就是靠從眼睛里射出的一束這樣的光擊中了這個物體。這個說法從而解釋了為什么我們睜著眼能看見物體但閉著眼卻看不見了這一事實。不過，在黑暗的地方，為什么我們的眼睛睜的再大也看不見東西呢？
畢達(dá)哥拉斯對此提出了一種新的理論：光是由發(fā)光體向四面八方射出的一種東西，這種東西碰到障礙物上就立刻被彈開。如果它偶然進(jìn)入人的眼睛，就叫人感覺到看見使它最后被彈開的那個東西。
這種理論雖然有點符合經(jīng)驗事實，但光的問題根本沒有因這種理論而得到解決。科學(xué)上的每一樣新發(fā)現(xiàn)都帶來一大堆新問題。就光而言，從發(fā)光體發(fā)出的光是怎樣躍過空間進(jìn)入人的眼睛里？光是涼的還是熱的？它動不動？它動的有多快？
這就出現(xiàn)了兩種理論：
光的粒子說：光是由億萬個光子或“微�！苯M成的，光子由發(fā)光體向各個方向射出好象一顆不斷爆炸的炸彈的碎彈片。
光的波動說：光可以象波那樣運(yùn)動，把它的信息從一個地方帶到另一個地方。但是，這種學(xué)說的困難在于一個波動并不僅僅是一個波動，因為波的傳播需要媒質(zhì)光能夠在真空中傳播，那么，真空中有媒質(zhì)嗎？如果有某種物質(zhì)性的東西充滿真空那它就不是真空。這就是說，由于缺少一種媒質(zhì)好讓我們所講的波能在里面崐波動，就得殘酷地拋棄這種大有前途的理論？不！哪個科學(xué)家也不會這樣做�？茖W(xué)家驚人的想象力稍微發(fā)揮一下，就很容易地解崐決了這個問題：宇宙空間充滿了一種無處不在、又看不見摸不著的非物質(zhì)性的媒質(zhì)－－以太。光就是在這種媒質(zhì)（以太）中傳播。
這就有了兩派彼此抗衡的光的學(xué)說：微粒說和波動說。那么，哪一派正確呢？偉大的牛頓支持微粒說。他覺得，波有衍射現(xiàn)象，但光是沿著直線傳播的，又有誰見過光拐彎呢？所以他相信微粒說。固然，那時關(guān)于光，已知有許多奇妙事實同微粒說是不相容的，可這對于絕頂聰明的牛頓來說，攻克這樣的難題還不是小菜一碟？他用粒子說對當(dāng)時所知的光的一切現(xiàn)象都作了解釋,只是稍微犧牲了一點簡單性而已。比如，為了解釋某種光學(xué)現(xiàn)象，他崐把光子想象成鳥似的一起一伏的飛翔。雖然波動說在牛頓時代也不乏擁護(hù)者，以荷蘭物理學(xué)家惠更斯為首的波動論者，把他們的主要希望寄托在一個這樣的事實上：微粒相碰時，應(yīng)該彼此彈開，然而實驗表明，兩束光相遇時，彼此交叉而過，互不影響。不過，波動說要同的微粒說抗衡僅有這一實驗作基礎(chǔ)能有多大的勝利的希望呢？因為有那么一個天才巨人牛頓站在他們的對立面！
高山為谷，大海為陵。三十年河?xùn)|，三十年河西。牛頓逝世后，關(guān)于光又有了新的實驗發(fā)現(xiàn)，而新發(fā)明的數(shù)學(xué)方法又為波動說提供了解決困難的有力工具。
波動說的支持者認(rèn)為，之所以看不到光的衍射現(xiàn)象，是因為光的波長太短，如果障礙物的尺寸與光的波長相差不多，就應(yīng)能看到光拐彎的現(xiàn)象。并還推測出光不僅有衍射現(xiàn)象，還應(yīng)有干涉現(xiàn)象。實際上，早在牛頓時代，人們就已經(jīng)觀察到了光的干涉現(xiàn)象。而牛頓卻一直提不出真正圓滿的說明�？磥砦⒘Ｕf要倒霉了。
牛頓死后大約一百年，托馬斯·揚(yáng)在公元１８１７年提出了光是橫波的假說，法國的一位土木工程師菲涅爾以此為基礎(chǔ)，在１８１８年提交了一篇應(yīng)征巴黎科學(xué)院懸賞征求闡述光折射現(xiàn)象的論文。在這篇文章中，他提出了一整套高度完善的波動說理論，這個理論是哪樣的簡潔和有力。無論當(dāng)時那么多復(fù)雜漂亮的實驗，以及所有已知的光學(xué)現(xiàn)象沒有一個它解釋不通的。但粒子說并不甘心就這樣灰溜溜地退出歷史舞臺。著名數(shù)學(xué)家泊松還要做垂死的掙扎。他根據(jù)菲涅爾的理論推算出光射到一個不透明的圓板上，在這個圓板的中心應(yīng)當(dāng)有一個亮斑－－泊松斑。顯然誰也沒有看到過這種十分荒謬的現(xiàn)象。所以，泊松興高采烈地宣稱他駁倒了菲涅爾的波動理論。然而他高興的似乎早了點。波動說的支持者用實驗的方法證明了圓板的陰影中心確實有這樣一個亮斑。這不過是光的一種衍射現(xiàn)象。這真是搬起石頭砸自己的腳，如《紅樓夢》里所說的，“機(jī)關(guān)算盡太聰明，反算了卿卿性命”。波動說的理論基礎(chǔ)反而由此更加牢固了。但波動說并不就此罷休。它還需要有更近一步的證據(jù)去證明微粒說是錯的。這就是法國人傅科所做的一個重要實驗：測量光在水中的速度。因為兩派理論在這一點上有重大分歧：按牛頓的光子說，光在水中的速度應(yīng)大于光在真空中的速度；而波動說則堅持認(rèn)為水中的光速一定小于真空中的光速。誰是誰非？科學(xué)等待了很久，終于由傅科用實驗的方法證明水中的光速恰與波動說預(yù)計值相吻和。
遭此一系列的打擊，微粒說的照命星隕落了，波動說以勝利者而沾沾自喜時，還沒有忘記“宜將勝勇追窮寇，不可沽名學(xué)霸王”這一古訓(xùn)。它還要得到更大的支持，要置微粒說于十八層地獄。這就是法拉第對電與磁的研究，使多少有點停滯不前的古老的電磁學(xué)出現(xiàn)了復(fù)興。一個新的紀(jì)元開始了。到了１８７２年麥崐克斯韋終于完成了他的鴻篇巨制《電磁學(xué)通論》這部電磁理論的經(jīng)典著作，他把法拉第那種表面上似乎很神秘的見解化成人們所能接受的的兩組微分方程－－麥克斯韋方程組，方程簡潔、完美、整齊，不僅解決了當(dāng)時所知的所有的電磁學(xué)問題，概括了所有的電磁現(xiàn)象，而且他根據(jù)這四個方程推導(dǎo)出應(yīng)當(dāng)存在電磁波這種東西，這種波應(yīng)當(dāng)按光速傳播，而且具有光的一切物理性質(zhì)。這就是說，光是電磁波的一種，波動說的所有高超的理論都毫無例外地包含在新的電磁方程中。而這個方程組的另一個豐功偉績是把崐數(shù)百年來物理學(xué)家苦苦創(chuàng)造的數(shù)百種以太模型統(tǒng)一成了一種－－電磁以太。
然而，話還不能說的太絕。要想使麥克斯韋的這個看起來是崐那么美妙的學(xué)說被人們所接受，必須用實驗的方法產(chǎn)生出麥克斯韋所假設(shè)的電磁波來。否則，只能看成是一種很有趣的假說。這可是一件十分難辦的事情。困難主要還不在于產(chǎn)生電磁波，而在于怎樣證明電磁波當(dāng)真產(chǎn)生了。一年年過去了，并沒有探測到這種波，物理學(xué)家們對麥克斯韋的見解是否正確開始有了疑慮。在流言誹語中，麥克斯韋死了。
在他逝世的七年后，德國人赫茲歷經(jīng)三年終于于１８８８年在一系列的輝煌實驗中探測到了電磁波。這些實驗到處受人的歡呼，被認(rèn)為在磐石般的實驗事實上，出色地證實了麥克斯韋理論崐的正確性。這可不是一個貧乏無味的理論，它不僅有不可估量的崐商業(yè)價值，而且還使人們不得不相信無線電波同光波是一樣的，不同的只是頻率。在可見光的兩端還存在著大量的不可見光：比紫光頻率高的有紫外線、Ｘ射線、γ射線；比紅光頻率低的有紅外線和各種無線電波等。到此，光是一種波，已經(jīng)用數(shù)學(xué)上精美崐雅致永遠(yuǎn)不變的圖式嚴(yán)格固定了。光的所有細(xì)節(jié)經(jīng)過幾代人的努力被揭露的詳細(xì)無遺并被絲毫不差地納入了莊嚴(yán)的數(shù)學(xué)定律中。
波動說勝利了。他們以雷霆萬鈞之力壓倒了不幸的微粒說。他們確有理由自豪：宏偉的宇宙受已知方程支配，光的一切現(xiàn)象在理論上都可以預(yù)言，并按已知的定律由原因莊嚴(yán)地進(jìn)行到結(jié)果。拓荒者的工作已經(jīng)完成，沒有絲毫基本的東西尚待發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在只是擴(kuò)展已有的知識的細(xì)節(jié)問題。
微粒說死了。它已喪失了一切生存的理由。
光陰似箭，日月如梭。時間就這樣一天天的過去了。物理學(xué)家們在自家的田園里“采菊東籬下，悠然見南山”。雖然少數(shù)具有近乎先知先覺能力的人對天邊漂來的幾朵烏云而察覺到遠(yuǎn)方的風(fēng)暴暗中趨進(jìn)，但是他們的警告對打亂一般人的鎮(zhèn)靜無憂不大起作用。
就在赫茲尋找麥克斯韋的電磁波的實驗中，他注意到了一個奇妙的事實：用紫外光照到實驗裝置上，電磁波出來的稍微容易些。但這種現(xiàn)象與證實電磁波的存在相比，就太微不足道了。他不能領(lǐng)會到，這恰是哪天邊的幾朵烏云之一。令人遺憾。
科學(xué)沒有永恒的理論。一個理論所預(yù)言的論據(jù)常常被實驗所崐推翻。任何一個理論都有它的逐漸發(fā)展和成功的時期，經(jīng)過這個時期以后，它就會很快地衰落。差不多科學(xué)上的重大進(jìn)步都是由于舊理論遇到了危機(jī)通過盡力尋找解決困難的方法而產(chǎn)生的。為了使我們的這個故事能夠繼續(xù)下去，我們必須想象一下在嚴(yán)寒的冬天人們最美好的希望是坐在熊熊的爐火旁。這是因為爐火能放出某種看不見的、給人以熱的感覺的射線－－實際上是輻射出電磁波。在科學(xué)上稱這種現(xiàn)象為熱輻射。這是自然界中的一件很平常的事。但人們在尋找這種現(xiàn)象的基本規(guī)律時卻遇到了一點麻煩。這一種現(xiàn)象需要用兩個定律來描述。物理學(xué)家都有一個尋求普遍定律的嗜好。他們一旦發(fā)現(xiàn)同一現(xiàn)象可以用幾個定律在不同方面進(jìn)行描述時，便立即嘗試將這些定律合成單一的普遍定律，使之能同時概括所有的方面。
英國物理學(xué)家瑞利和金斯將熱輻射的定律合二為一了，并與實驗結(jié)果相吻合�？墒遣痪脜s發(fā)現(xiàn)在熱物體輻射出紫外線時新的定律便告失效。這種荒唐的局面被稱為“紫外災(zāi)變”。這是上世紀(jì)末發(fā)生的事。那時候任何人也沒有想到，這不僅僅是某一個頗為特殊的定律的災(zāi)難，而是摧毀這個定律全部理論基礎(chǔ)－－經(jīng)典物理學(xué)的災(zāi)難。
當(dāng)一種理論在很順利地發(fā)展時，會突然出現(xiàn)一些出乎意料的阻礙，這種情況在科學(xué)上時常發(fā)生。所以物理學(xué)家對“紫外災(zāi)變”不以為然。麥克斯韋的電磁理論之所以能夠成為經(jīng)典，是因為它有著磐石般的實驗基礎(chǔ)。這是千真萬確、不容置疑的。為了克服這個偉大的理論所面臨的這一點點小困難，不少的具有一流頭腦的物理學(xué)家紛紛放下手頭的工作轉(zhuǎn)而為此“仁者見仁，智者見智”。其中德國科學(xué)家普朗克脫穎而出。此時，普朗克已年過四十，但他卻以從未有過的青春活力和激情瘋狂地工作著。以無比的毅力建立了、又推翻了一個又一個理論模式。在懊喪之余，他意識到與其說事實不符合理論，毋寧說是理論不符合事實。在就是說，如果事實不能被理論說明，那是理論不中用，理論必須在新的基礎(chǔ)上重建。在這個重大信念的指使下，使他看到了挽救局面的希望。他象狂人般地用了幾個星期的時間傾全力攻克這個問題，最后他終于杜撰出一個公式－－它純粹是一些不相關(guān)量的偶然結(jié)合，而其物理意義又非常不合公認(rèn)的傳統(tǒng)理論，但卻奇跡般地與實驗十分吻合。要精確敘述普朗克的推理論證，需涉及太多的數(shù)學(xué)抽象概念，但這個理論的精髓卻很簡單：物體以電磁波的形式放出或吸收的能量都是一捆一捆的。為了方便，他把這種捆稱為能“量子”。這一結(jié)果是新物理學(xué)誕生的壯麗標(biāo)志，由它要產(chǎn)生天大的事件，也使后人將普朗克稱為量子力學(xué)之父。但他的哪些所謂的能量子在經(jīng)典的電磁理論中無疑是異教邪說，因為電磁波攜帶的能量是連續(xù)的，而不是一份一份的。因此他感到恐怖萬分。他曾十分內(nèi)疚地說：“經(jīng)典理論給了我們這樣多有用的東西，因此必須以最大的謹(jǐn)慎對待它，維護(hù)它”。而科學(xué)界也對他的哪個無理論依據(jù)的與傳統(tǒng)觀念格格不入的公式給予了極大的冷漠。以至于在多少年后他還在拼命修改他的學(xué)說，使他不至于成為麥克斯韋經(jīng)典理論的叛徒。
人類只有在某一類事情上做盡一切可以想象的傻事以后，才能在這一類事情上得到一點合理的東西。
一年一年過去了，普朗克的見解過著風(fēng)雨漂搖的生活。似乎已被他的創(chuàng)始者所拋棄。但是金子總是要發(fā)光的。歷史在次證明，偉大的需要產(chǎn)生偉大的人物。１９０５年，伯爾尼的瑞士專利局的某位職員在德國《物理學(xué)雜志》第十七期上同時發(fā)表了三篇驚世駭俗的文章，其中的一篇為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性的觀點》中說，按照麥克斯韋的理論，對于一且純電磁現(xiàn)象因而也對于光來說，應(yīng)當(dāng)把能量看成是一個連續(xù)的空間函數(shù)，但這個理論會導(dǎo)致和實驗相矛盾。如果用光的能量在空間不是連續(xù)分布的，而是由能量子組成的，似乎更好一些。這段話意思就是說為了使理論與實驗相符，光不僅是成束地被物質(zhì)所吸收或放出，而且在脫離物質(zhì)后也必定以某種方式表現(xiàn)的象一個粒子：光粒子這種提法不是反革命復(fù)辟嗎？是誰有這么大的膽量在波動說一統(tǒng)天下的今天敢重彈微粒說的老調(diào)？他就是后來被稱為物理學(xué)的三個偉人之一－－阿耳波特.愛因斯坦。但當(dāng)時他是何許人也？他不是學(xué)者、教授，而卻要復(fù)辟光的微粒說，要證明關(guān)于電磁現(xiàn)象這個在審美上令人滿意的、精心證實了的理論基本上是錯誤的，真是癩蛤蟆想吃天鵝肉。
科學(xué)的探索不是坐軟臥車廂，那兒有唯一太平的軌道。科學(xué)的遠(yuǎn)征是在巨浪滔天的大洋上航行，可能要用青春和生命去殉自己的事業(yè)。唯有清醒和堅定的人才能達(dá)到目的地。愛因斯坦的這種獨(dú)特非凡的見解是長期思維活動中的一種頓悟，他以巨大的魄力把傳統(tǒng)的理性和邏輯框架拋置在一邊，經(jīng)深思和有力的論證，不是輕率浮泛地、而是明確定量地對波動說發(fā)起了一次又一次地攻擊。表現(xiàn)出是一名威力非凡的斗士，激起越來越多的研究者風(fēng)從。他們“橫掃千軍如卷席”，用光的微粒說直接對波動說為圖方便而避開不談的實驗事實提出簡明的解釋。特別是愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋，更是新的光的微粒說－－光子說的重大勝利。
早在１８７２年，莫斯科大學(xué)教授斯托列托夫就發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。赫茲在證實電磁波的哪個實驗中所注意到的那種奇特效應(yīng)就是光電效應(yīng)，后來，他的學(xué)生又對這種效應(yīng)做的大量的研究，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的實驗規(guī)律。這種成為現(xiàn)今電影、電視等基礎(chǔ)的效應(yīng)如同“紫外災(zāi)變”一樣使光的波動說感到為難：偉大麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論在這些事實面前顯的是那樣的蒼白無力。用愛因斯坦的光子解釋這些事情如同探囊取物耳。
不過，由于波動說同麥克斯韋的電磁理論結(jié)成的美滿的策略性婚姻而陣地強(qiáng)固，要恢復(fù)已失去的容譽(yù)，復(fù)活的微粒說并不能實現(xiàn)速戰(zhàn)速決。從而使得物理學(xué)戰(zhàn)云密布，烽火四起。
波動說的武裝力量是雄厚的，如光的干涉、衍射，水中光速的測量等。這些實驗成為在對微粒說的斗爭中波動說武庫里的最有力的進(jìn)攻性武器。微粒說若對這些固若金湯的城堡發(fā)動任何進(jìn)攻是注定要失敗的。但新的微粒說是狡猾的，他們探尋到了那些因波動說感到太蒼涼、險惡而無人問津、耕墾的荒原。在這個不毛之地上叩探到了豐富的黃金礦脈，并用來生產(chǎn)出許多新式武器崐來抵御波動說。其中威力最大、最若人注目的仍屬光電效應(yīng)。美國的密立根１９１５年十分精密而完整地證實了光電效應(yīng)方程，終于使的愛因斯坦獲的了１９２１年的諾貝爾物理獎，兩年后，密立根因他的精密測量極其出色地證實了愛因斯坦的見解也獲得了這項殊榮。光子說的又一新式武器是１９２３年美國的物理學(xué)崐家康普頓利用英國物理學(xué)家威爾遜發(fā)明的云霧室成功得觀察到了光子與電子碰撞現(xiàn)象，從而使他們二人合得１９２８年的諾貝爾物理獎。
流光如水，硝煙彌漫了四分之一世紀(jì)，戰(zhàn)斗淪為了塹壕戰(zhàn)。光子不能奪取波動的固有領(lǐng)土，波動也不能蹂躪光子的疆域。只好畫出一個三八線，各自安安生生地守住自己的陣地�？茖W(xué)的原野分屬了兩個交戰(zhàn)的陣營，前景即不是速見分曉，也不是合理的妥協(xié)。戰(zhàn)爭的唯一犧牲品是以太。無論對陣營的哪一方，它都成為多余。這個令十九世紀(jì)最優(yōu)秀的科學(xué)家絞盡腦汁、耗盡心血的崐東西終于從物理學(xué)中絕跡了。而它的掘墓人仍是那位在１９０５年德國《物理學(xué)雜志》第十七期上同時發(fā)表了三篇驚世駭俗的文章愛因斯坦。遺憾的是他卻并沒有因《論動體的電動力學(xué)》而獲得諾貝爾物理獎金。
科學(xué)對這樣的局面并不陌生：一個學(xué)說適用于一組事實，而另一組學(xué)說能解釋另一組事實。但是，在以前的事實中，所以出現(xiàn)這種局面，總有個理由好象說得通。例如，麥克斯韋方程不適用于萬有引力，這并沒有引起不安，因為在那個階段上，誰也沒料想到會發(fā)現(xiàn)電和引力有什么關(guān)聯(lián)。但是現(xiàn)在物理學(xué)眼前卻是個全新的局面：同一個實體－－光－－既是波又是微粒。為了解釋干涉、衍射，光必須是波；而光電效應(yīng)又使它成為粒子。這種剪不斷、理還亂的兩難局面叫每一個真正物理學(xué)家坐臥不安、心驚肉跳：光居然是兩種如此矛盾的東西，真不夠意思�？茖W(xué)中暗藏著這樣一種未澄清的二象性，侵蝕了它的要害部位，這是同物理學(xué)的一切理想和傳統(tǒng)都格格不入的。然而，兩方各自如山的鐵證又是那樣無隙可擊。物理學(xué)家心中的那種苦啊，令人慘不忍睹。他們也只能隨遇而安，帶著一副愁眉苦臉?biāo)奶幣腔�，悲嘆他們在星期一、三、五必須把光看成是波，而在星期二、四、六又必須將光看成是粒子。那么，星期天呢？他們干脆就祈求上天保佑了。
物。１９０５年，伯爾尼的瑞士專利局的某位職員在德國《物理學(xué)雜志》第十七期上同時發(fā)表了三篇驚世駭俗的文章，其中的一篇為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性的觀點》中說，按照麥克斯韋的理論，對于一且純電磁現(xiàn)象因而也對于光來說，應(yīng)當(dāng)把能量看成是一個連續(xù)的空間函數(shù)，但這個理論會導(dǎo)致和實驗相矛盾。如果用光的能量在空間不是連續(xù)分布的，而是由能量子組成的，似乎更好一些。這段話意思就是說為了使理論與實驗相符，光不僅是成束地被物質(zhì)所吸收或放出，而且在脫離物質(zhì)后也必定以某種方式表現(xiàn)的象一個粒子：光粒子這種提法不是反革命復(fù)辟嗎？是誰有這么大的膽量在波動說一統(tǒng)天下的今天敢重彈微粒說的老調(diào)？他就是后來被稱為物理學(xué)的三個偉人之一－－阿耳波特.愛因斯坦。但當(dāng)時他是何許人也？他不是學(xué)者、教授，而卻要復(fù)辟光的微粒說，要證明關(guān)于電磁現(xiàn)象這個在審美上令人滿意的、精心證實了的理論基本上是錯誤的，真是癩蛤蟆想吃天鵝肉。
