物理学史4.4 光的微粒说和波动说.pdf

4.4光的微粒说和波动说

什么是光？光的本性是什么？它由什么组成？每一位研究光学现象的物理
学家都必然会涉及这些问题。从折射定律和色散现象的研究也可看出这一点。

笛卡儿主张波动说，他认为光本质上是一种压力，在完全弹性的、充满一切
空间的媒质（以太）中传递，传递的速度无限大。但他却又用小球的运动来解释
光的反射和折射。牛顿倾向于微粒说，认为光可能是微粒流，这些微粒从光源飞
出，在真空或均匀媒质中作惯性运动，但他在研究牛顿环时，却认识到了光的周
期性，使他把微粒说和以太振动的思想结合起来，对干涉条纹作出了自己的解释。
可见，不论是笛卡儿还是牛顿，都没有对光的本性作出肯定的判断。

4.4.1早期的波动说

胡克明确主张光是一种振动，并根据云母片的薄膜干涉现象作出判断，认为

光是类似水波的某种快速脉冲。在1667年出版的《显微术》一书中，他写道①：

“在均匀媒质中，这种运动在各个方向都以同一速度传播，所以发光体的每
个脉冲或振动都必然会形成一个球面。这个球面不断扩大，就如同把石块投进水
中在水面一点周围的波或环，膨胀为越来越大的圆环一样（尽管要快得多）。由
此可见，在均匀媒质中激起的这些球面的所有部分都与射线以直角相交。”

荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想。他进一步提出光是发光体中微小粒
子的振动在弥漫于宇宙空间的以太中的传播过程。光的传播方式与声音类似，而
不是微粒说所设想的像子弹或箭那样的运动。1678年他向巴黎的法国科学院报
告了自己的论点（当时惠更斯正留居巴黎），并于1690年取名《光论》（Traite

delaLumiere）正式发表。他写道①：

“假如注意到光线向各个方向以极高的速度传播，以及光线从不同的地点甚
至是完全相反的地方发出时，其射线在传播中一条穿过另一条而互相毫无影响，
就完全可以明白：当我们看到发光的物体时，决不会是由于这个物体发出的物质
迁移所引起，就象穿过空气的子弹或箭那样。”

罗迈（OlafRoemer，1644—1710）在1676年根据木星卫蚀的推迟得到光
速有限的结论，使惠更斯大受启发。罗迈观测到当地球行至太阳和木星之间时，
木卫蚀提早7—8分钟，而当地球行至太阳的另一侧时，木卫蚀却推迟7—8分钟。
由此推算光穿越地球轨道约需22分钟。惠更斯根据罗迈的数据和地球轨道直径

计算出光速c=2×108米/秒。这个结果虽然尚欠精确，却是第一次得到的光速值。
于是惠更斯设想传播光的以太粒子非常之硬，有极好的弹性，光的传播就象振动

沿着一排互相衔接的钢球传递一样，当第一个球受到碰撞，碰撞运动就会以极快
的速度传到最后一个球。图4-12就是惠更斯自己画的一幅示意图。他认为，以
太波的传播不是以太粒子本身的远距离移动，而是振动的传播。惠更斯接着写道：

“我们可以设想，以太物质具有弹性，以太粒子不论受到推斥是强还是弱都
有相同的快速恢复的性能，所以光总以相同的速度传播。”

图4－13是惠更斯描绘光波的示意图。这样，惠更斯就明确地论证了光是波
动（他认为是以太纵波），并进而以光速的有限性推断光和声波一样必以球面波
传播。接着，惠更斯运用子波和波阵面的概念，引进了一个重要原理，这就是著

名的惠更斯原理。他写道①：

“关于波的辐射，还要作进一步考虑，即传递波的每一个物质粒子，仅将运
动传给从发光点开始所画直线上的下一个粒子，而且还要传给与之接触的并与其
运动相对抗的其他一切粒子。结果是，在每个粒子的周围，兴起了以该粒子为中
心的波。所以，（如图4－14），设DCF是从发光点A发出的并以该点为中心的
波，则在球面DCF内的一个粒子B，将产生自己独有的波（按：即子波）KCL，
与这个波在C点触及波DCF的同时，从A点发出的主波也到达DCF。显然，波KCL
与波DCF的唯一接触点是在AB直线上，即C点。球面DCF内的其他点bb、dd
等等也将类似地产生各自的波。每个这样的波与波DCF相比虽然都无限微弱，但
所有这些波距A点最远的那部分表面却组成了波DCF（按：即波阵面）。”

接着，惠更斯用他的原理说明了光的反射和折射。从他的理论可以推出与笛
卡儿不同的折射公式：

1669年丹麦的巴塞林纳斯（ErasmusBartholinus，1625—1698）发现了双
折射现象。当他用方解石（也叫冰洲石）观察物体时，注意到有双像显示。经过
反复试验，他确定是这种晶体对光有两种折射：寻常折射和非寻常折射。

这是继干涉、衍射之后发现的又一光学新现象。对于这种新现象，是否能作
出合理的解释，自然是微粒理论和波动理论面临的考验。惠更斯在得知巴塞林纳
斯的发现后，立即重复进行了实验。他证实了这一现象，并且观察到在其他晶体，
例如石英，也有类似