光学

有关光现象的研究领先于电和磁现象的研究一个世纪。最早知道的光传播的特征是直线传播以及由 W．斯涅耳（1591—1676）于 1621 年实验发现的反射和折射定律。但是，光理论发展的历史（在 17～18 世纪期间）是一段复杂的历史，其中包含了许多伟大人物的名字，像笛卡儿、惠更斯

（1629—1695）、胡克（1635—1703）、牛顿、杨（1773—1829）、菲涅耳（1788—1827）等等，都卷入了微粒说和波动说之间的争论。下面我们只能提供一个非常简要的梗概。

笛卡儿有一个关于事物的总纲要：宇宙的机械论观点。他把以太概念作为具有机械性质的介质引入物理学。他关于（微粒）光的折射定律的演绎暗示，它在（比方说）水中的速度大于在空气中的速度。顺便说一句，牛顿的光微粒说也导致了同样的错误结论。

费马（1601—1665）于 1657 年提出了光传播的最小时间原理

（Principle of Least Time）。这个变分原理形式的数学定律具有普遍性和重要性，他是在物理学中以这种形式表达定律（或原理）的先驱；这个定律也优于笛卡儿的理论，因为它作了正确的假定，即光速在（比方说）水中比在空气中要小。然而，该原理的推导是基于形而上学考虑而非物理学考虑的。

罗伯特·胡克是一位比牛顿稍年长的同代人。他赞成光的波动说（1667 年），而牛顿坚持微粒说。牛顿于 1666 年发现棱镜分离太阳光成光谱，

并于 1671—1672 年批评胡克的理论，由此在他们两人之间展开了一场争论，弄得关系紧张。人们认为，这可能是造成牛顿后来不愿出版他的著作的因素之一。牛顿拒绝接受波动说，是由于波动说不能说明光的直线传播，因为在托马斯·杨 1801—1803 年的实验之前，衍射现象尚不知道。

另一方面，偏振和双折射现象已由牛顿于 1717 年在光的两侧性（two sidedness）基础上得到“解释”，而且值得注意的是，他事实上利用偏

振现象作为反对“波动说”的强有力证据，因为那时理解的波动说考虑的是纵向声波的那种波。杨和菲涅耳的波为人所知要在一个世纪之后。

惠更斯比牛顿大 13 岁，但他的重要贡献，即惠更斯原理，在 1678 年才作出，1690 年发表，晚于牛顿 1666—1672 年的工作。通过这一原理，惠更斯就能“理解”反射和折射定律以及在一块冰洲石晶体双折射中两射线的偏振。

对波动说最严重的质疑，即它不能说明光的直线传播，由于杨在 1801

—1803 年关于直棱的光衍射实验而最终得以消除。利用波的干涉和惠更斯原理“解释”了这个现象。杨的理论由菲涅耳给出了一个数学处理，菲涅耳建议杨在圆物体的阴影中心寻找光亮点，而这个光亮点被找到了。菲涅耳为法国科学院的有奖征文提交了一篇论文，该论文使委员会（由拉普拉斯、泊松和毕奥组成）信服，菲涅耳于 1818 年赢得了这笔奖金。

直线传播的理由现在已经清楚了：在普通的条件下，窗口或开口的尺寸与光的波长比较非常之大，以致衍射现象观察不到。事实上，人们现在知道，一个波，在极短波长的极限下，像“射线”一样沿波前的法线传播

（布伦程函，1911 年）。

与有关光本性的波—粒争论连在一起的是光传播的介质（后来被名之为以太）是否稳定或是否随地球绕太阳轨道运动而运动的问题。早在 1728 年，一位英国天文学家 J．布喇德雷就观察到恒星光的光行差。按照介质不参与地球运动的理论，观察到的恒星光的方向（由望远镜的方向θ显示）将与光行差角的真正方向θ′有一角α的差别，α＝θ′—θ，

cos θ = cosθ＇ + v / c

1 + ( ) cos θ

或者，如果我们令θ′＝π/2，那么对于小的α来说就有 sinα≈v/c。这个关系正好与布喇德雷的观察相符。

1818 年，菲涅耳得到一个在速度为 v 的流水（折射率 n）中光速 u 的公式

u = c ± (1 − 1 )v

n n²

v 平行与逆平行于 u，假定以太只是部分地被流水“拖曳”。斯托克斯（1846 年）得到了相同的公式，他作了有点类似的关于以太受流水压缩和稀疏化的假定。令人惊异之处在于一个依赖于如此详细的以太模型的公式竟然被菲佐的实验（1851 年）所证实！更有甚者，菲涅耳的预言，即如果望远镜由水充满，布喇德雷的光行差将不会改变，也竟于 1871 年由爱里所证实。我们将看到，菲涅耳的公式为实验所证实，因为狭义相对论（洛伦兹变换）也精确地给出菲涅耳公式！

用光所做的另一个实验是1881 年的迈克耳孙实验和1887 年的迈克耳孙-莫雷实验。实验被设计来检验地球围绕太阳作轨道运动，光的传播在

实验室干涉仪上是否有任何效应，结果是否定的。一个可能的解释是以太被地球携带着一起运动；另一种推测是，所有物质在运动方向

（即迈克耳孙实验中地球的轨道速度ϖ的方向）上以一个因子

缩。

迈克耳孙实验事实上是由麦克斯韦（在他 1879 年）逝世前提出来的。

我们将简要评述导致 1905 年相对论诞生的电磁场理论的发展。