至于我们眼睛看到了光是直线,那是眼睛在欺骗我们 。
如果你读了我关于光学知识的前几章铺垫,就应该很清楚,刚开始光的微粒说是占主导地位的,这里面牛顿的影响很大 。后来有了干涉和衍射现象的实验和解释,才打破微粒说,使波动说开始被重视 。再后来,爱氏关于光电效应的解释,引出光的波粒二象性 。
在光具有波粒二象性的启发下,法国物理学家德布罗意在1924年提出一个假说,指出波粒二象性不只是光子才有,一切微观粒子,包括电子和质子、中子,都具有波粒二象性 。
他把光子的动量与波长的关系式p=h/λ推广到一切微观粒子上,指出:具有质量m 和速度v 的运动粒子也具有波动性,这种波的波长等于普朗克恒量h 跟粒子动量mv 的比,即λ= h/(mv) 。这个关系式后来就叫做德布罗意公式 。
很多人可能没有耐心看整个前面的铺垫内容,所以在这里再次大概给大家说一下人类认识光的过程,先是惠更斯,后来是牛顿 。
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按照惠更斯原理,波的直线传播与球面传播 。现在认为较为完全的光理论最早是由克里斯蒂安·惠更斯发展成型,他提出了一种光波动说 。使用这理论,能够解释光波如何因相互干涉而形成波前,在波前的每一点可以认为是产生球面次波的点波源,而以后任何时刻的波前则可看作是这些次波的包络 。从他的原理,可以给出波的直线传播与球面传播的定性解释,并且推导出反射定律与折射定律,但是他并不能解释,为什么当光波遇到边缘、孔径或狭缝时,会偏离直线传播,即产生衍射效应 。
惠更斯假定次波只会朝前方传播,而不会朝后方传播 。他并没有解释为什么会发生这种物理行为 。之后,艾萨克·牛顿提出了光微粒说 。他认为光是由非常奥妙的微粒组成,遵守运动定律 。这可以合理解释光的直线传播和反射性质 。但是,对于光的折射与衍射性质,牛顿的解释并不令人满意 。
由于牛顿无与伦比的学术地位,他的光粒子理论在一个多世纪内无人敢挑战,而惠更斯的理论则渐渐被人淡忘 。直到十九世纪初衍射现象被发现,光的波动理论才重新得到承认 。而光的波动性与粒子性的争论从未平息 。后来托马斯·杨、菲涅尔、麦克斯韦、赫兹、爱因斯坦等人完善了光理论 。十九世纪早期,托马斯·杨和奥古斯丁·菲涅耳分别做出重大贡献 。托马斯·杨完成的双缝实验显示出衍射光波遵守叠加原理,这是牛顿的光微粒说无法预测的一种波动行为 。
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惠更斯
这实验确切地证实了光的波动性质 。奥古斯丁·菲涅耳提出惠更斯-菲涅耳原理,在惠更斯原理的基础上假定次波与次波之间会彼此发生干涉,又假定次波的波幅与方向有关 。
惠更斯-菲涅耳原理能够解释光波的朝前方传播与衍射现象 。光波动说并没有立刻取代光微粒说 。但是,到了十九世纪中期,光波动说开始主导科学思潮,因为它能够说明偏振现象的机制,这是光微粒说所不能够的 。
同世纪后期,詹姆斯·麦克斯韦将电磁学的理论加以整合,提出麦克斯韦方程组 。这方程组能够分析电磁学的种种现象 。从这方程组,他推导出电磁波方程 。应用电磁波方程计算获得的电磁波波速等于做实验测量到的光波速度 。于是麦克斯韦猜测光波就是电磁波,电磁学和光学因此联结成统一理论 。
1888年,海因里希·赫兹做实验发射并接收到麦克斯韦预言的电磁波,证实麦克斯韦的猜测正确无误 。从这时,光波动说开始被广泛认可 。
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