对虹的认识

虹是一种大气光学现象，从公元 6 世纪开始，我国古代对虹就有了比较正确的认识。唐初的孔颖达（574—648）曾概括了虹的成因，他认为“若云薄漏日，日照雨滴则虹生。”明确指出产生虹的 3 个条件，即云、日、“日照雨滴”。沈括对此也作过细致的研究，并作实地考察。在《梦溪笔谈选注》中写道：“是时新雨霁，见虹下帐前洞中。予与同职扣涧观之，虹两头皆垂涧中。使人过涧，隔虹对立，相去数丈，中间如隔绡■，自西望东则见；盖夕虹也。立涧之东西望，则为日所铄，都无所睹。”指出虹和太阳的位置正好是相对的，傍晚的虹见于东方，而对着太阳是看不见虹的。

对虹有了认识之后，便可以人工造虹。8 世纪中叶，唐代曾有过这样的试验：“背日喷呼水成虹霓之状”，表示背向太阳喷出小水珠，便能看

到类似虹霓的情景。宋代的《毛诗名物解》中说过：“以水■日，自侧视之，则晕为虹霓。”强调必需从侧面观察，才能见到虹霓。

【牛顿对光学的研究】

牛顿在光学上的杰出成就，就可以使他成为科学界的头等人物，跻身于科学伟人的行列。当牛顿只有 21 岁的时候，他已开始了自己的研究工作，对光学问题的研究，又是牛顿全部科学研究、创造生活的开端。1666 年牛顿得到了用三棱镜把白光分成七种颜色的光的实验结果，并于 1672 年发表论文描述了这一色散实验；1704 年出版了《光学》一书，为光学的发展作出了贡献。这本书和《自然哲学的数学原理》一书（参阅本书第 6 页）是牛顿的两部基本著作。

1666 年，牛顿正在磨制一些非球面形的光学透镜，同时做了一块三角形的玻璃棱镜，以便重复观察包括意大利物理学家格里马耳迪

（F.M.Grimaldi，1618—1663）在内的所做的那些著名实验。牛顿想办法把自己的房间弄暗，在窗板上开了一个小孔，让适度的太阳光进入室内，然后把他自已磨制的棱镜放在光的入口处，使光线由此折射到对面的墙上。起初牛顿对墙上产生的那些鲜艳、浓烈的颜色，很感兴趣。但是经过周密考虑后，他惊异地发现它们是长条形的，而根据公认的折射定律，它们的形状应该是圆形的。为什么会这样？经过反复思考与实验，牛顿悟出了一个道理，并决心做一个判决性的实验。

牛顿取两块板，把其中的一块放在靠近窗户的棱镜的后面，板上开有一个小孔，光线可以通过这个小孔并落到另一块板上。他把另一块板放在相距约 12 英尺的地方，板上也开有一个小孔，并使光线的一部分通过它，然后再把第二块棱镜放在第二块板的后面。当第一块棱镜绕它的轴转动

时，落在第二块板上的像也跟着移动，同时使全部光线都相继通过板上的小孔，射到它后面的棱镜上，记下光线落在墙上的位置。牛顿发现，在第一块棱镜上被折射得最厉害的蓝光，在第二个棱镜上受到的折射也最大，而红光在这两个棱镜上都被折射得很少。牛顿便领悟到长条形的像形成的真实原因：光不是同类的和均匀的，它是由不同类型的光线组成的，其中一些比另一些更能被折射。

1672 年 2 月 6 日，牛顿向英国皇家学会提交了题为“关于光和色的新理论”的论文，详细地描述了上述实验，并提出了对颜色的新见解。他认为，应该“有两类颜色。一类是原始的、单纯的，另一类是由这些原始颜色组成的。原始的或本原的颜色为红、黄、绿、蓝和紫绀，橙黄、靛青等等只是一大堆不确定的中间层颜色。”并且指出：“和这些原始颜色同属一类的那些颜色，也可以用组合的方法使之产生，因为黄和蓝混合成绿；红和黄混合成橙；橙和黄绿混合成黄。一般地说，如果在棱镜所产生的颜色系列中，两种彼此相距不太远的颜色混合成一种颜色，它在上述系列中处于这两种颜色之间。但是那些相距太远的颜色并不如此。橙黄和靛青不

会产生其间的绿色，深红和绿也得不出其间的黄色。”牛顿又明确指出， “最突出和最奇异的组合是白色，没有一种光线能够单独显示这种颜色。它永远是组合成的，而且要组成它就必须用所有前面提到的原始颜色按一定比例混合起来。”从而否定了过去认为白色和黑色是两种基本颜色的观念。因此牛顿认为，以这些作为根据，就可以很清楚地说明下落的雨滴中会出现彩虹的原因。

1704 年，牛顿发表了《光学》（副标题为：关于光的反射、折射、弯曲和颜色的论文）一书，汇总了大部分很早以前完成的研究工作，但是为什么发表得这么晚呢？是有其历史原因的，对此，我们将在下一节中阐明。

《光学》一书的开头，牛顿就指出：“在这本书中我的意图不是用假说来解释光的性质，而是用讨论和实验来叙述和证实它们。”为此，他就讲了 8 个定义和 8 条原理。按照牛顿的说法，其中包括了“迄今为止，在

光学中被谈论过的一切。”但当时人们知道得并不多。在 8 条原理中，前

5 条论述了反射和折射的基本规律，后 3 条描述了光入射到平面、球面和透镜后，反射光或折射光光程的几何原理，并清楚地引入了聚焦这一概念，同时谈了一些眼睛里的光程知识。

“假设”部分包括了一系列假设、定理和习题。定理都用实验证实。在当时的条件下，这些实验是做得很出色的，说明牛顿高超的实验技艺。假设Ⅰ（定理Ⅰ）的含义是这样的：“不同颜色的光，它们的折射率

也不同。”这一思想用了 2 个实验作验证。

假设Ⅱ（定理Ⅱ）断定：“太阳光是由不同折射率的光所组成。”这个定理用了 8 个完全不同的实验来验证。

假设Ⅲ（定理Ⅲ）中，证明了“太阳光是由反射率不同的多种光线组成的，而且被折射得越强烈的光束，则被反射得也越多。”在实验的说明中，牛顿叙述了对棱镜内部光的全反射所作的观察结果。这里应该指出，光的全反射现象在较早的时候已被开普勒（J.Kepler，1571—1630）所发现。

假设 IV 中，牛顿详细地阐述了怎样把“复杂的非均匀光束一一地分开”，用现代语言来说就是怎样用棱镜或透镜来获得单色光束。

假设 V（定理 IV）中，牛顿证实了“利用非均匀光照射到折射体上，由于不同类的光有不同的折射率，就会产生不清晰的物体图象。”这就是色散像差的发现。为了排除在透镜中的色散像差，牛顿研制了反射式望远镜。

假设 VI（定理 V）证实，对于不同颜色的光，入射角和折射角正弦的比值不同，但是这一比值仍然与入射角的大小无关。

《光学》一书中还描述和讨论了干涉现象，也就是我们现在所说的牛顿环的实验。对薄膜彩色现象，前人作了不少研究，但牛顿对它做了细致的、定量的解释，并从现象上确定了它们的基本特性。在这里，最重要的

是牛顿发现了“光的周期性”。

在《光学》第三编的末尾总共提出了 31 个“问题”，在这一系列闪耀着启发性光辉的“问题”中，牛顿的思想涉及到各个方面，例如，光的本性，重力和物质，探究自然的正确方法，上帝存在的证明以及关于上帝的可知的一切方面。

《光学》一书的结束语，介绍了许多纯方法论问题，它不但涉及到具体问题，而且创造了建立任何其他科学的普遍原则。牛顿也自认为《光学》一书是他正确的哲学观点的最好证明。而《光学》全书，始终是建立在分析法的基础上，它仅仅是从实验中取得资料，描述大自然的规律，而撇开了引起它们产生的理由。

【光的本性之争】

光的本性是什么？对这个问题自古以来就有不同的回答。到 17 世纪，形成了一场关于光的本性的争论，也就是微粒说和波动说之争。这场争论，是科学（特别是光学）发展的产物，同时又成为科学新发展的动力。微粒说是以牛顿为代表，波动说则是以胡克、惠更斯为代表。

1672 年 2 月 6 日，牛顿在送交皇家学会的“关于光和色的新理论”一文中表明了自己对光的物质性的见解，认为“光线可能是球形的物体”，这就是我们通常所说的光的微粒说的最早表述。这种观念，很容易解释光的直线传播，同时也能解释光的反射和折射。但是这篇论文一经发表，就引起了激烈的争论，反对光的本性的微粒见解的人就是胡克。

胡克（Robert Hooke，1635.7.18—1703.3.3）是英国物理学家。他对弹性力定律的发现和论证，一直保存到现在，称为胡克定律。对光的本性问题，胡克主张光是一种振动。他举出金刚石受到摩擦、打击或加热时，在黑暗中会发光的例子来证明光必定是一种振动。同时他还以金刚石的坚硬特性，提出这种振动必定是短促的。当讨论光的直线传播和光速有限时，胡克认为，在一种均匀媒质中，这一运动在各个方面都必将成为一个球面。这个球面将不断地扩大，如同把一石块投入水中后，在水面一点周围的环状波膨胀为越来越大的圆圈那样。由此可见，胡克实际上已接触到了波前和波面的概念。

胡克与牛顿争论时，提出了不少问题，特别是微粒说所不能解释的一些事例。为了回答胡克提出的问题，牛顿又进一步研究，想办法完善自己的假设和理论。由于牛顿对振动和波动过程有一个严格的了解并有一个严整的数学原理，在与胡克的争论过程中，便认为自己关于光的粒子结构的理论是正确的，但是他也表明没有绝对肯定这个结论，所以只能用“可能” 两个字来表示。进而认为这个结论在极端情况下，仅是自己学说的大概结果，而不是它的基本前提。

1675 年 12 月 9 日，牛顿向皇家学会又提交了一篇题为“涉及光和色的理论的假说”的论文，论文中提出了一个把光的微粒和以太的振动相结

合的新假说。认为“以太的振动在这一假说和那一假说中都是一样有用的和不可缺少的。因为假定光线是从发光物质向各方面发射出去的小的微粒的话，那么当它们碰到任何一种折射或反射表面时，就必然要在以太中引起振动，正如石块被投到水中时要引起振动一样。我还假定，这些振动将按照激发它们的上述颗粒性光线的大小和速度不同而有不同的深度和厚度。”“只有这样，它才能如此普遍而无所不包，以致把其他的假说也都包罗在内，而不需要创造什么新的假说。”

1675 年 12 月 21 日，牛顿在给皇家学会秘书奥尔登堡（H.Oldenburg）的信中谈到了自己和胡克看法的不同之处，牛顿认为，“除了假定以太是一种能振动的媒质以外，我和他没有什么共同之点。然而我的这个假定有和他很不相同的看法：他认为能振动的以太就是光本身，而我则认为它不是。”与此同时，牛顿在其他论文中又提出并确立了光的周期性。他在研究光在薄板上的干涉和干涉后颜色随薄板的厚度而改变的现象时，发现了光的周期性，并测量出周期性变化的序列，实质上，他已成为第一个测量光波的波长的人。

当牛顿在皇家学会上宣读新的论文、阐述新的假说时，胡克却提出了优先权的要求。于是，牛顿在愤慨之下，决定不发表光学著作。牛顿的多年来的关于光学方面的研究成果，都是在胡克死后的一年——1704 年发表在他的《光学》著作中。这就是《光学》为什么这么晚才发表的缘由。这一偶然事件，影响了光学的发展。

综上所述，可以看出，对光的本性的理解，牛顿基本上倾向微粒说，他认为“光线是否是发光物质发射出来的很小的物体？因为这样的一些物体能直线穿过均匀媒质而不会弯到影子区域里去，这正是光线的本性。” “我们并不需要别的，而只要把光线看作是微小的物体，这些微粒用它们的吸引力或某种其他的力在它们对之作用的物质中激起振动，这些振动比光跑得更快，连续不断地赶上光线，并激动它们，乃至轮流地增加或减小它的速度，从而使它们处于这种一阵一阵的猝发状态之中。”但是在牛顿的学说中，后来也加进了以太的振动。

坚持光的波动说，并想法建立理论来解释它们的，则是荷兰物理学家惠更斯（ChristianHuygens，1629.4.14—1695.6.8）。1678 年，惠更斯向法国科学院提交了著作——《光论》。在书中，惠更斯把光波假设为一纵波，推导和解释了光的直线传播、反射和折射定律，书中并未提到关于光谱分解为各种颜色的问题。惠更斯的光的波动理论是研究碰撞现象的一个直接结果，他认为光是一种冲量，它类似于球与球之间的冲量的传递，这一研究代表了光学研究中物理观念和数学观念的联合。

《光论》全书正文分成 5 章，分别为“论光线沿直线的传播”、“论反射”、“论折射”、“论空气中的折射”、“论冰洲石中的奇异折射”。最后再加一章，“论用于折射与反射的透明体的图形”。

《光论》的英译本直到 1912 年 6 月才出版，译者汤普生

（SilvanusP.Thompson）认为，惠更斯的著作之所以晚 200 年才有英译本，可能是与牛顿的观点相抵触的所有想法，都被其门徒一概排斥的缘故。译者认为惠更斯的波动理论远远比不上杨氏和菲涅耳的理论（参阅本书第 40 页），惠更斯更多地涉及到几何光学，而不是物理光学。他认为光是纵波，但却没有提出波长、横向振动、干涉原理和波列的概念。

对于光的本性的认识，随着时间的推延，认识也在不断地前进。如果说，17 世纪是牛顿的光的微粒说占优势的话，那么，到 19 世纪初，则是波动说占了统治地位（参阅本书第 41 页），到了 20 世纪初，人的认识又有了新的发展。

【光的理论和望远镜的建造】

与力学发展相反，光的理论在 18 世纪实际上没有什么进展。1704 年牛顿的《光学》出版，然而，18 世纪并没有延续 17 世纪物理学关于光的本性的争论。光到底是一种波动呢还是一种粒子流的问题，似乎由于它的难度，不再引起物理学家们的广泛兴趣。但是，不可否认，在整个 18 世纪，光的微粒说被普遍地接受，而赞成、提倡波动说的人则很少，只有瑞士数学家欧拉（L.Euler，1707—1783）和美国物理学家富兰克林

（B.Franklin1706—1790），但也只提出理论上的考虑。欧拉于 1750 年出版了他的《致日耳曼公主关于物理学中几个问题的信》，他以振动持续时间的不同来解释颜色的差别。他推测眼睛的不同媒质具有防止色散的性质，并建议用两种不同的物质来制备透镜，以便消除色差，但是他又认为实际上无法制成一个消除色差的透镜。这一见解被以后的实践所否定。光的波动说的观念，到 19 世纪开始时，才进入了复兴时期、“英雄”时期（参

阅本书第 41 页）。

关于光的本性的争论对后世的影响，不少学者都加以评论。其中，兰利（S.P.Langley，1834—1906）曾在 1888 年发表过演说，他说：“当时有两个伟人，他们每个人都在自己的灯光照引下在黑暗中察看。对每一个人来说在灯光以外的一切都是偶然的；并且命运注定了牛顿的灯照耀得比他的对手更远，而且牛顿发觉光正好照到足以表明错误道路的入口处。牛顿作出了我们都知道的结论；这个结论不仅对于光是错误的，而且对整个热学理论也产生了有害的结果，因为一旦承认光是物质的，同时如果认为辐射热是光的亲属，那么热必须也看作是物质的；⋯⋯由此看来，这个不幸的微粒说的影响比我们平常所想象的要深远得多。”所以 18 世纪光学理论没有什么发展，但是在光学仪器的研制方面却获得了不少成就。

18 世纪的光学成就，主要是建造了一系列不同型式的望远镜。由于透镜存在色差，望远镜的制造者深感苦恼，欧拉的观念又引起人们的恐慌，但是也有人因好奇心而去重复牛顿的消色差实验，并得到了不同的结果，增强了制造消色差透镜的信心。18 世纪 40 年代以后，伦敦的光学仪器商

多朗德（J.Dollond，1706—1761）开始研制消色差的透镜，于 1758 年建造成一台消色差望远镜，并送交皇家学会，此事轰动了整个欧洲。1761 年，其子 P.多朗德继承父志，再接再励，与人合作，建成了更高水准的折射望远镜。这一成功，大大促进了天文学的发展。经过反复试验，消色差透镜开始被成功地应用到显微镜的制作上。

1723 年，英国人哈德利（J.Hadley）循着牛顿的研究路线，建造了一

台 6 英尺长的反射式望远镜，它和惠更斯制造的 123 英尺长的折射式望远镜等效，并将它送给皇家学会。由于反射式望远镜不存在折射式望远镜的令人烦恼的色差问题，一时便获得了很大的发展。

各种类型望远镜的制造成功，对于天文学说来，无疑是极为重要的推动，但对于物理学来说，并不能引起理论或实验的大发展。

【光的波动说的复兴——托马斯·杨和菲涅耳】

1704 年牛顿的《光学》一书问世，差不多相隔整整一个世纪，光学（包括对光的本性的认识）的发展缓慢，过去把这一切都归罪于牛顿的威望。到了 19 世纪，光学的发展才有所突破，特别是物理光学得到了长足的进

步，开始了波动说的“英雄”时期。这一时期，从 1800 年持续到大约 19

世纪 30 年代，而这一发展主要发生在英国和法国，其代表人物是托马斯·杨和菲涅耳。

托马斯·杨（Thomas Young， 1773.6.13—1829.5.10）是英国医生和物理学家。对物理学的贡献，除了提出“能”的概念（1807 年）和杨氏弹性系数以外，最大的成就是在 1801 年提出了光的干涉理论。托马斯·杨最

早研究眼睛的构造和光的特性，从 1801 年到 1804 年，是他研究光学的第

一个时期。干涉理论被人嘲笑，托马斯·杨便“改行”，连续 12 年从事语言学的研究，特别是象形文字的辨读工作。直到法国的菲涅耳进行光学实验，并且特别突出杨氏的干涉理论时，托马斯·杨也就重新恢复他早期的研究，进入了他的光学研究的第二时期。

1801 年，托马斯·杨在皇家学会宣读了关于薄片颜色的论文，在论文中详述了实验的内容，并表达了他的观点——倾向波动说，提出了干涉理论。实验中，他用一个屏幕遮住暗房的窗子，屏上开有两个靠得很近的小孔。当这两个小孔比较大的时候，穿过它们的阳光就在置于一定距离远的另一屏幕上形成两个光斑。当小孔逐渐缩小达到很小时，穿过它们的光束在屏幕上所形成的两个光斑就扩展开来，彼此部分重叠。托马斯·杨仔细观察后发现，屏幕上可以受到来自两个孔的光束照射的区域，有一系列暗条隔开的彩虹般的美丽的条纹，它与牛顿环十分相似。当屏上两小孔间相距 1 毫米时，相距 1 米远的另一屏幕上就会呈现 0.6 毫米宽的条纹。对这一现象，托马斯·杨利用光的波动说和光的干涉理论就能很好地解释。如果堵住一个小孔，就变成了单孔衍射实验。

从历史来看，做过衍射实验的、第一个证明光是波动的是意大利的格

里马耳迪（F.M.Grimaldi，1618—1663）。他曾做过这样的实验：在一束光线通过的路径上，摆上一物，发现该物影子的边缘是模糊的，他称此种现象为“衍射”。如何解释呢？格里马耳迪认为光是传播着的光流体，是一种稀薄的、感觉不到的“液体”，遇到障碍物后，引起“液体”的波动。据记载，他也研究过干涉现象，并把光和水波进行类比。这些研究结果，都是在格里马耳迪死后的第三年（1665 年）才公布的。

托马斯·杨利用干涉的观念，成功地解释了牛顿环，同时也成为第一个近似测定光的波长的人。这一重要发现，在他的论文“关于物理光学的实验和计算”中发表，并刊于 1803 年 11 月 24 日出版的《哲学学报》上。根据这一观念，证实了惠更斯对冰洲石晶体中所看到的双折射现象的分析是正确的。虽然托马斯·杨的功绩很大，但却受到了猛烈的抨击。他的文章被称为是“没有值得称之为是实验或是发现的东西”，“没有任何价值”。还有人评论为“它们除了阻碍科学的进展以外不会有别的效果”，指责干涉理论是“荒唐”和“不合逻辑”的，所以“暂时不接受这个作者无能的学究气的作品”。为什么会出现这种怪现象呢？原因之一是牛顿的观点给大家的印象太深刻了，致使有些人不愿意接受建立在实验基础上的新观

念。但是托马斯·杨是如何对待牛顿的呢？他认为，尽管仰慕牛顿的大名，但并不因此认为他是万无一失的，他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。托马斯·杨的观点无疑是正确的，更何况牛顿在他的《光学》著作中，已提出对光的本性可以进一步探究的一些问题。虽然周围环境压抑了托马斯·杨的研究，但是他在 1807 年出版的《自然哲学和机械工艺讲义》一书的第三十九讲中，还是对光的干涉再次作了解释。

光的波动说在英国的复兴，刺激了法国的牛顿学派，并推动了法国物理学界对光学问题的研究。首先，法国的天文学家、数学家和物理学家拉普拉斯（P.S.Laplace，1749—1827）在对托马斯·杨答辩时，于 1808 年用光的微粒说分析了双折射现象。1809 年，法国物理学家马吕斯

（E.L.Malus，1775—1812）发现了光的偏振现象，他本人认为这是对波动说的否定（事实上，这一实验现象只与惠更斯《光论》中的光是纵波的观点相矛盾）。就在这一时期，法国出现了一位杰出的波动说的代表人物—

—菲涅耳。

菲涅耳（Augustin Jean Fresnel，1788.5.10—1827.7.14）大约从1814 年开始研究光学。1814 年 12 月，菲涅耳在一封信中流露出“我不知

道光的偏振意味着什么”的彷徨情绪，但是经过将近一年的努力，在 1815

年 10 月他就把一篇关于衍射的重要论文寄给了科学院，紧接着很快完成了其他一系列论文。菲涅耳发现，在由点光源发射出的光束中放上一根细线，精确地测定从这光束的轴到所产生的条纹间的距离。他注意到，当通过细线一边的光在它到达屏之前把它挡住时，影内的光带就消失了。菲涅耳不知道托马斯·杨早在 13 年前就已经取得了这个成就，他正被引向发现干涉

原理。许多物理学家不承认这个现象就是干涉引起的。自从格里马耳迪发现衍射以后，人们已经知道衍射条纹，并且已经用微粒说加以解释。为了消除这些反对派的意见，菲涅耳设计了一个值得纪念的实验：利用两个与小孔或不透明障碍物边缘都无关的小光源，用两块彼此接近 180°角的平面金属镜，避开衍射，由反射光束来产生干涉现象。

法国物理学家阿拉哥（D.F.J.Arago，1786—1853）受命报告了菲涅耳的论文，由此开始，阿拉哥也开始研究这个问题，并接受波动说的观点，成为菲涅耳的好友。由于菲涅耳提出的论文，数学处理不够好，受到了他人的指责。菲涅耳受此激励后，发愤努力，应用大量数学工具进行精密的计算，才使不少人开始相信波动说。由此可见，菲涅耳与托马斯·杨有很大的不同，后者没能用数学计算来证明自己的解释。同时，菲涅耳用波动说解释了影子的存在和光的直线传播，并指出光的干涉现象和声音的干涉现象所以不同，是由于光的波长短得多。这一成功，为光的波动说增添了不少光辉。

通过阿拉哥的介绍，菲涅耳注意到了托马斯·杨的工作，同时把自己的第一篇论文寄给了这位英国医生。令人欣慰的是，在托马斯·杨和菲涅耳之间没有发生优先权的争论。相反，托马斯·杨受到菲涅耳工作的激励，重新恢复了对光学的研究。光的偏振现象发现后，大家都想法来解释它。1817 年，托马斯·杨想到，如果光的振动不是像声音那样沿着运动方向作纵向振动，而是像水波或者拉紧的琴弦那样作垂直于运动方向的横向振动的话，这个问题说不定可以得到解释。这是一个绝妙的思想火花！托马斯·杨

将这一思想于当年写信告诉了阿拉哥。这一思想和假说，后来又被实验所证实，由此确立了光波是横波的观点。1819 年，菲涅耳和阿拉哥合作研究，提供了相互垂直的偏振光不相干涉的证明。这样，光的横向振动理论（即光波是横波）得到了最终的证实。这样，托马斯·杨于 1819 年 10 月 16 日写信给菲涅耳，信中表达了对菲涅耳的敬意：“先生，我为您赠送我令人敬羡的论文表示万分感谢，在对光学进展最有贡献的许多论文中，您的论文确实也是有很高的地位的。”

菲涅耳在收到托马斯·杨 1819 年的来信之前，参加了一次竞赛，即

1817 年法国科学院举办的关于光的衍射现象最佳科研成果的竞赛，并于

1818 年提交了论文。科学院成立了评委会，评委会的成员中有波动说的支持者阿拉哥，有波动说的反对者泊松（S.D.Poisson，1781－1840）、毕奥

（J.B.Biot，1774－1862）和拉普拉斯，有中立者盖·吕萨克（J.L.Gay- Lus-sac，1778—1850）。尽管不少成员不相信菲涅耳的观念，但是由于他的计算结果和实验数据相一致，最后还是授予他优胜奖。泊松根据菲涅耳的计算结果，得出在一个圆片的阴影中心应当出现一个亮点，这是令人难以相信的，过去也从没看到过。但是菲涅耳的理论计算表明，当这个圆片的半径很小时，这个亮点才比较明显。经过实验验证，果真如此。

通过托马斯·杨和菲涅耳的工作，比较牢固地确立了光的波动性的正确性，所以惠更斯与牛顿的这场争论，到惠更斯死后 120 年才告一段落。

【光速测定方法的发展——斐索和傅科】

从 17 世纪起，科学家们就设想在实验室里用实验的方法来测定光速，但是没能成功。后来利用天体的运动来测量光速，获得了初步成功。19 世纪以后，人们又想用实验的方法来测定光速，这一想法最初是由惠斯通提出的。

1834 年，英国物理学家惠斯通（C.Wheatstone，1802—1875）利用旋转镜来测定电火花持续的时间，当时他就想用此法来测定光速，同时也想确认一下在折射率更大的介质中，光速是否更大。惠斯通的思想方法是正确的，但是他没能完成。这个思想后来被阿拉哥采纳，可是由于他的视力不佳，就把此课题留给了更年轻的人去研究。另一方面，采用这种方法，镜子必须具有 1000 多次每秒的速率，机械要求很高，当时的社会技术条件难以达到。与此同时，人们认为人的眼睛要从以如此巨大的速率转动着的镜子中，捕捉被反射的闪光的瞬时映像也是不可能的。随着时间的推延，采用这种基本的思想方法来测定光速，由斐索和傅科获得了成功。

斐索（Armand Hippolyte Louis Fizeau，1819.9.23—1896.9.18）是法国物理学家，先后研究了光的干涉、热膨胀等，发明了一种干涉仪。他在研究和测量光速问题上作出了贡献，是第一个不用天文常数、不借助天文观察来测量光速的人。他发表了题为“关于光传播速度的一次实验”的论文，刊载在 1849 年出版的《法国科学院周报》第二十九卷上。斐索是采

用旋转齿轮的方法来测量光速的。这个实验是在巴黎市郊相距 8633 米的絮

伦（Suresnes）和蒙马特里（Montmartre）之间进行的。经过 28 次的观察和测量，得到光速的平均值为 70948 里格（“里格”为长度单位，1 里格等于 3 英里，或 4828.032 米。70948 里格相当于 342539.21 千米）每秒。这个数值与当时天文学家公认的光速值相差甚小。

除此以外，斐索于 1851 年又做了关于以太和物质的相对运动的实验，后人称为斐索实验。这个实验结果表明透明介质内的以太，是被运动着的介质（当时用的是水）往前拖曳，但又不是全部被拖曳，其速度比介质的速度小。这一实验在 20 世纪初由爱因斯坦作了重新解释。

傅科（Jean BernardLeonFoucault，1819.9.18－1868.2.11）是法国物理学家。原先研究医学，从 1845 年开始从事物理学的研究，曾与斐索共事。两人分手后，各自进行光速测定的研究工作。在物理学史上，傅科以其“傅科摆”的实验著名于世。他以摆球做实验，发现摆球的摆动面有转动，证明了地球的转动。所以我们说，这个实验验证了地球的自转。实验先后做了 4 次，才得出这一结论。

在光速测定的研究中，傅科是采用旋转平面镜的方法来测量光速的。1850 年 5 月 6 日傅科向科学院报告了自己的实验结果，并发现光速在水中

比在空气中小，证明了波动说的观点是正确的。后来，傅科把它作为科学博士级的论文于 1853 年提出，并刊载在 1862 年出版的《法国科学院周报》第五十五卷上，论文的题目为“光速的实验测定：太阳的视差”。

在论文中，傅科叙述了实验装置的改进和实验的结果。他所用的仪器与以前的仪器没有什么重大的区别，只是装了一套推动圆周屏幕移动的齿轮系统，以便准确量度镜的旋转速度。此外，实验中的距离，采用多次反射的方法，从 4 米扩大到 20 米。由于光通过的距离增大，时间的量度就更为准确，得到的结果也就更精确。傅科指出，光的速度显然比人们想象的速度要小，用旋转镜测得的光速大约为 29.8×107 米/秒。接着他又分析了

实验结果，据他看来，实验误差不可能超过 5×105 米/秒。这样，傅科认为这一实验数值是正确的。

斐索和傅科之后，不少科学家采用并改进了前人的方法，继续测量光的传播速度。例如，法国的科尔尼（M.A.Cornu，1841—1902）采用斐索的方法，于 1874 年在实验中把反射镜安置在 23 公里远的地方，测出的光速为 298500 千米每秒；1878 年又测得为 300400 千米每秒。1880—1881 年，英国的詹姆斯·杨（James Young）和乔治·福布斯（G.Forbes）测得的数值为 3O1382 千米每秒。最值得一提的是迈克耳逊的测量工作。

年轻的美国人迈克耳逊（A.A.Michelson，1852—1931）对测量光速表现出极大的兴趣，他继承了傅科的实验思想，于 1878 年在安纳波利斯海军学院的实验室进行初步实验，测得的数值为 299910 千米每秒。1882 年在俄亥俄州继续进行测量，针对傅科实验中的偏转太小，送回来的像的位移只有 0.7 毫米的弱点进行改进，使送回来的像的位移达到 133 毫米，这样

测得结果为 299853 千米每秒。在迈克耳逊的后半生，继续做测定光速的实

验。 1926 年在威尔逊山做实验，该山与作为远距离测量站的圣安东尼奥

山相隔 22 英里，改用八角形的转动镜（即此转动镜有 8 个反射面），测得

光速为 299796 千米/秒。

【普朗克和黑体辐射】

普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck， 1858.4.22—1947.10.3）是德国物理学家。他在热力学方面有扎实的基础，在研究黑体辐射时，提出了量子假说，为 20 世纪物理学的发展作出了卓越的贡献。

黑体辐射实验是和照相技术中的很多问题联系着的，它是与城市、企业中的人工照明的发展密切相关的。黑体辐射谱（也称热辐射谱）中的能量分布问题，也是物理学家们很感兴趣的研究课题之一。1895 年，普朗克就开始研究这一课题。

任何经典理论都无法解释黑体辐射的实验结果。针对这一尖锐的矛盾，普朗克深入地对辐射规律进行了研究。他的研究工作可以分成两个循环，即 1899 年到 1901 年为第一循环，1910 年到 1914 年为第二循环。

第一循环期间，1899 年，普朗克借助于纯粹热力学的考虑而得出方程

式，发表了“关于辐射的不可逆现象”一文，严格地阐述了维恩定律，引进了“正常辐射”的概念，也就是辐射的能量按单独振子的分布完全是无序的。

1900 年 3 月，普朗克发表了“辐射热的熵和温度”一文，试图用经典物理学去解决黑体辐射问题。

理论与实验之间的矛盾和困难一直没能解决。1900 年夏天，库尔鲍姆

（F.Kurlbaum）和鲁本斯（H.Rubens）在柏林对热辐射光谱作了新的准确的测量。普朗克根据他们两人口头提供的结果，导出了熵 S 与振子能量 U 的二次微商表式，然后又导出了 Eν的表式。这一表式和最新的实验结果达

到了令人喜悦的一致性。这就是普朗克的热辐射定律，它的出现标志着物理学发展的新时期的开始。

但是，什么是新表式的物理解释呢？普朗克开始了艰巨的理论研究工作。很快地发现，这一表式表明振子只熊包含分立的能量，也就是能量只能是 hv 的整数倍，h 是个非常小的常数，称为作用量子，后来称为普朗克常数。hv 为振子的能量的最小单位，称为“能量子”。虽然普朗克自己一开始也难以相信，但是他也知道这是一个无法避免的结论。根据普朗克儿子的回忆：一天晚上，他的父亲曾在柏林近郊的绿林里散步时谈到了他的新观念，他感到自己可能已经完成了一个第一流的发现，或许只有牛顿的发现才能和它相比。由此可见，普朗克那时已经意识到，他的研究工作已经触动了我们描述自然的基础，并且有朝一日，这些基础将从它们现有的传统位置向一个新的、现在还不知道的稳定位置转移。尽管普朗克不喜欢这个结论，但他还是在 1900 年年底发表了他的量子假说。

1900 年 12 月 14 日，普朗克在德国物理学会上宣读了论文“谈谈正常光谱能量分布定律的理论”，论文中首次抛弃了经典物理学所特有的那种原则：从一个状态过渡到另一个状态必须是连续的，吸收和释放能量必须是连续的，开创了量子物理学的新时期。

1901 年起，不少物理学家相继发表文章，从实验上和理论上来探讨普

朗克辐射定律及其物理内容。而普朗克本人也在 1901 年发表了内容更为详尽的论文“论正常光谱中的能量分布定律”，对自己原有的工作作了补充。在论文中，普朗克计算得出两个常数：玻耳兹曼常数 k 和作用量子（即普朗克常数 h），数值分别为 k＝1.346×10-16 尔格/度，h=6.55×10-27 尔格·秒

（目前的数值分别为 1.381×10-16 尔格/度，6.626×10-27 尔格·秒）。普朗克声称，前一个常数连玻耳兹曼自己也从未引到过它，从来没有想到可能对此常数作出正确的测定。爱因斯坦 1905 年发表的论文中的一篇论文就

是根据普朗克的这篇论文提出来的（参阅本书第 46 页）。

普朗克在研究方法上是成功地运用了内插法。对于内插法，普朗克本人是这样描写的：通过直接的实验，对某一函数得到两个简单的极限，在小能量时，函数与能量成比例；在大能量时，函数与能量的平方成比例。

这样，在一般情况下，就选择了此函数的量等于这两项之和——一项是能量的一次方，另一项是能量的二次方，所以对小能量，第一项是主要的，对大能量，第二项是主要的。这样便得出了新的辐射公式。这一方法，普朗克称之为内插法。在很多物理学教科书中，常常讲到普朗克是在维恩定律和瑞利-金斯定律之间使用了内插法，得到了自己的定律，这是不符合历史的。瑞利导出自己的定律是在 1900 年，而普朗克的任何研究工作都没有引证瑞利的结果。

由于普朗克这一研究工作对物理学发展的贡献，他获得了 1918 年的诺贝尔物理学奖。

第二循环期间，从 1910 年开始，普朗克又研究黑体辐射问题，但是这一研究，并不是推动科学的发展，而是想利用经典理论去解释黑体辐射问题，想用电动力学来研究光的吸收，用统计物理来研究光的发射和辐射能的稳定分布，他总想建立一个不要太远离经典理论的理论，这当然是徒劳的。这段历史对我们后来的研究工作者是很有教育意义的，在科学研究的道路上，只有不断地奋发前进，后退是没有出路的。

【爱因斯坦和光子说、相对论】

爱因斯坦（Albert Einstein， 1879.3.14—1955.4.18）是 20 世纪著名的物理学家，生于德国的乌耳姆，卒于美国的普林斯顿。对物理学最大的贡献是创立了狭义相对论和广义相对论。

爱因斯坦从 1900 年便开始了科学生涯，1905 年爱因斯坦在科学史上创造了一个史无前例的奇迹，这一年中他写了 6 篇论文，在 3 个领域内作

出了 4 个有划时代意义的贡献。有人说，每一项成就都可以获得诺贝尔物理学奖。

首先，1905 年 3 月发表了论文“关于光的产生和转化的一个推测性的观点”，把普朗克（M.Planck，1858—1947）在 1900 年提出的量子观念（参

阅本书第 44 页）扩充到光在空间中的传播，提出了光量子的假说。他认为，光对于时间平均值（即统计的平均现象）来说表现为波动，光对于瞬时值

（即涨落现象）来说表现为粒子。这是物理学史上第一次揭示微观客体的波动性与粒子性的统一，即波粒二象性。论文的最后，用光量子假说极明白地解释了光电效应。由于光电效应定律的发现，他获得了 1921 年的诺贝尔物理学奖。

其次，1905 年 4 月、5 月、12 月分别发表了 3 篇关于液体悬浮粒子运动理论方面的文章，其目的是要通过观测由分子运动的涨落现象所产生的悬浮粒子的无规则运动，来测定分子的实际大小。三年后，物理学界用实验验证了爱因斯坦的理论预测。

再次，1905 年 6 月，发表了一篇开创物理学新纪元的论文，题目为“论动体的电动力学”，完整地提出了狭义相对论。这是他将近 10 年酝酿、探索的结果。该理论的产生推动了整个物理学理论的革命。他从空间隔开的

两个事件的同时性问题入手，否定了没有经验根据的绝对同时性，进而否定了绝对时间、绝对空间的观念，否定了“以太”的存在，这样便对传统的空间、时间观念进行了必要的修改。从相对性原理、光速不变原理出发，建立了新的时空变换关系式。通过这一研究，力学和电磁学也就在运动学的基础上统一了起来。

第四，1905 年 9 月，发表了一篇短文“物体的惯性同它所含的能量有关吗？”作为狭义相对论的一个推论，揭示了质量与能量的相当性，即 E

＝mc2。这一相当性是原子核物理学和粒子物理学的理论基础之一，它为 20

世纪 40 年代实现的核能的释放和利用开辟了道路。

除此以外，爱因斯坦对量子论的进一步发展、广义相对论的建立、引力波的研究、统一场论的探索等都作出了贡献，但也留下了不少后人作继续研究的课题。

【激光的发现】

1960 年 7 月 7 日，《纽约时报》刊登了一篇短讯，报导了美国加州休斯实验室的梅曼（T.E.Maiman，1927—）成功地进行了“激光器发生新的原子辐射光”的实验。仅仅过了几个月，几种不同类型的激光器相继问世，使激光成为一种新型光源。这种光具有亮度高、方向性好、单色性好等特点，立即得到广泛的应用。“激光”就成为 20 世纪 60 年代最响亮的名词之一。回顾历史，激光形成的原理在半个世纪之前就已问世。

1900 年，普朗克提出了能量子的概念（参阅本书第 44 页）。1905 年，爱因斯坦提出了光量子的假说（参阅本书第 46 页），1916 年他又研究辐射问题，在他的论文“关于辐射的量子理论”中，深刻地阐明了物体与电磁场作用的实质，同时指出，除了吸收和自发辐射之外，还存在着第三种

过程——受激辐射。爱因斯坦不仅提出了受激辐射的概念，同时还指出了受激辐射最重要的性质：如果能量为 hv=Em—En、动量为 hv/c 的量子与原子相遇，这个原子所处的能态为εm，那么它可以使原子跃迁到较低能态εn，

放出具有与它一样的能量（频率）和一样的动量（传播方向）的量子。换句话说，爱因斯坦第一次预言了辐射光量子和受激光量子的绝对一致性，即相干性。过了一段时间，爱因斯坦还认为这两个光量子具有相同的偏振。

爱因斯坦的这些观点引起物理学界的注意，但是人们的注意力（包括爱因斯坦本人）往往去探讨理论问题，而没有去探索如何实现受激辐射。在探索的道路上，光学家们迈出了第一步，他们从理论上间接证明了它们的存在，并指出了要实现它的必要条件。实际上，要破坏热平衡、实现粒子数的反转是很困难的，所以研究工作进展不大。事过不久，无线电物理学家实现了受激辐射，但它却是在微波波段上，而不是在光波波段上，这就是微波激射器。

微波激射器的出现，表明利用受激辐射的方法，能实现电磁波在微波段上的振荡和放大，如果把这一方法推广到光波段上，便能形成光的振荡

和放大，这就导致了激光器的诞生。激光器的英语为 Laser，它是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的第一个字母组成的缩写，意思是光受激辐射放大。

首先获得成功的是美国休斯研究所的梅曼。早年，梅曼从事原子光谱的研究，1956 年到休斯后，曾致力于红宝石微波激射器的改进工作，他第一个在红宝石中获得了激光。美国物理学家肖洛（A.L.schawlow，1920－）曾经断言红宝石并非是产生激光的合适材料，但梅曼经过仔细分析，尤其是证实了它的量子效应高达 75%，于是确信红宝石是合适的材料。1960 年 6 月，梅曼进行了他的划时代的实验，把长为 1.9 厘米、半径为 1 厘米的红宝石圆柱体的两端磨平，并镀上银，然后置于螺旋形氙灯中心，逐渐增强氙闪光灯的强度，发现萤光增强，谱线宽度变窄，方向性得到改善，由此梅曼确信得到了激光振荡。

梅曼将其实验结果写成题为“红宝石的光激射作用”的论文寄给《物理学评论快报》，但是主编不予发表。梅曼就借记者招待会公布自己实验的结果，这就是前面提到的《纽约时报》上那篇短讯的由来。一位记者把这篇论文寄给英国《自然》杂志，该论文便被刊登在八月号上。肖洛看到后立即重复这一实验，也取得成功，证明梅曼是得到了激光。这样，梅曼就取得了激光发明的优先权。

之后不久，人们一直期待着的气体激光器研制成功，如氦氖激光器就在 12 月试制成功，这是一台连续运行的激光器。

激光问世以后，古老的光学学科又焕发了青春。非线性光学、激光光谱学和全息术的出现，表明光学已发展到了一个崭新的阶段，它们是现代光学的标志，这一切都只能在激光器诞生以后才能出现。