光的电磁波动理论

托马斯·杨和菲涅耳重新倡导的光的机械波动理论，在 19 世纪 20 至 30 年代取得了巨大的成就，它为科学界的绝大多数人所赞成。但是，在解释光的传播过程时必须借助于“光以太”，并认为“光以太”是充满整个宇宙空间的极其稀薄的气状物质，它的存在对运行着的天体没有任何阻尼作用。光的偏振现象的发现与研究打破了这种假设，由于“光以太”必须能传播横波， 因而又必须再假设它是一种能够产生切向力的胶状体或弹性介质，其弹性模量应该比钢还大。“光以太”这种非常离奇的性质，是光的机械波动理论本身根本解决不了的难题。另一方面，科学实验中发现的光与其它介质存在相互作用的现象，如法拉第效应等，光的机械波动理论也难于解释。

1864 年，英国的数学物理学家麦克斯韦发表了《电磁场的动力理论》一文，建立了电磁场方程组。文章中他预言了电磁波的存在，同时，他根据方程组中电场量采用静电单位制，磁场量采用电磁单位制，方程中出现了 3×

1010 因子的情况，发现电磁波的传播速度与当时已经用精确的实验室方法测得的光速非常接近。麦克斯韦没有把这一发现当成一种巧合，他相信这其中必定有物理上的奥秘。于是，在麦克斯韦的脑海里，显现了创造性的具有极其重大意义的新见解。

“从柯尔劳斯和韦伯的电磁学实验中计算出来的假想媒质中横波的速率和从光学菲索实验中计算出来的光的速率是如此地吻合，以致使我们不能不得出这样一个推论：光是存在于媒质中的横波，这种媒质是电现象和磁现象的起因。”

这就是说，因为电磁波在媒质中的传播速度与光在这种媒质中的传播速度如此地吻合，所以应该得出结论，光现象与电现象和磁现象是相联系的。进一步说，光波是媒质中传播的波长较短的电磁波。

麦克斯韦的电磁场理论将长期以来彼此独立的电学、磁学与光学结合起来，实现了物理学中一次规模空前的大统一。但是，当时人们对麦克斯韦电磁场理论的深刻含义没有给予应有的重视。

1888 年，德国年轻的物理学家赫兹用实验产生了电磁波，证明了电磁波的存在。同年，赫兹用实验测定了电磁波在空气中的传播速度，其结果与光在空气中传播速度相同。接着，赫兹又做了一系列的电磁实验。他观察、研究了电磁波在固体表面的反射，验证了电磁波在反射过程中符合光的反射定律；在电磁波通过棱镜的实验中，其偏折规律与光的偏折也相同；另外，赫兹还做了电磁波在凹球面反射镜中的聚焦，做了干涉、衍射、偏振等项实验。这一切都清楚地表明，电磁波的性质与光波的性质相同。

赫兹的实验，雄辩地证明了麦克斯韦电磁场理论的正确性，即证明了光的电磁波动理论的正确性，使人们对麦克斯韦在科学上取得的重大成就有了基本正确的估价。

麦克斯韦的电磁场理论及赫兹的实验结果，使光的波动理论上升到了一个崭新的高级阶段——光的电磁波动理论阶段，这是人类对于光的本性认识方面的一次巨大进步。

光的电磁波动理论排除了机械以太困难。但是，代替机械以太的“电磁以太”也不能解释光与其它物质作用时的一些现象。

1862 年，勒·鲁用充满碘蒸气的三棱镜，观察到紫光的折射比红光的折

射程度小，他称这种现象为反常色散。1871 年，孔脱发现了反常色散与物质对光的选择吸收有密切联系，即反常色散发生在选择吸收波段。1875 年，克尔发现了电光效应，即各向同性的透明介质（如硝基苯等）在强电场的直接作用下，使通过其中的光发生双折射现象，称为克尔效应。1893 年，泡克耳斯发现了另一种电光效应，即各向异性的晶体，特别是压电晶体，在外加电场作用下变成光的各向同性体，称为泡克耳斯效应。

1896 年，洛伦兹创立了电子论。他认为，原子和分子内含有带负电的电子，在无外力作用时电子处于平衡位置；在外力作用下，电子作阻尼振动而产生光辐射。当光通过介质时，若介质中电子的固有频率与外场频率相同， 则束缚电子成为吸收体。这样，洛伦兹解释了物体的发光与吸收现象，同时解释了光在物质中传播的一些特点，较好地解释了光的正常色散，与反常色散，对当年发现的光谱线在磁场中分裂现象——塞曼效应也做了解释。尽管电子论在科学上取得了显著成就，但是它依旧没有摆脱电磁以太的困难。

19 世纪以前，人们在长期的观察与实验中逐步形成了光的概念，大家都认为，光是直接射入人眼并能够引起视觉的客观实在。这种概念带有很大的主 观 性 ， 它 指 的 是 可 见 光 ， 其 波

一个波段。

1800 年，英国天文学家威廉·赫谢耳，在考察太阳光谱时发现了光谱界限与可见光界限并不一致，相反地在可见红光端外处有一种比较不易折射的辐射，将它称为红外线。他在连续的色谱上放上温度计时，发现了太阳光谱中热的不平均分布，在红端以下即红外光处最热。托马斯·杨在 1807 年的《讲演》中说：“这个发现应当被认为是自牛顿时代以来所做出的最伟大的发现之一。”

1834 年，意大利科学家梅隆尼证明红外辐射在反射、折射和吸收实验中的行为与可见光完全一样；1846 年，克诺布劳赫用干涉、衍射、偏振实验证明了红外辐射与普通光的区别仅仅在于它的波长较长。由此，人们常常将红外辐射称为红光。

在红外光发现的第二年即 1801 年，李特（Ritter，Jo hannWilhelm；1776

—1810）和沃拉斯顿（Wollaston，Willaston Hyde1766—1828）发现了紫外线，它的化学效应十分明显，其波长较可见紫光为短，人们将这种紫外辐射称为紫外光。

红外光、可见光、紫外光，以及人们在 19 世纪末发现的伦琴射线、r 射线和 20 世纪初发现的宇宙射线，都是频率很高的电磁波。

至此，人们形成了广义光的概念，即将波长短于远红外线（λ≤1.0）的一切电磁波统称为光。

光的电磁波动理论，使人类对光的认识更加深化，认识范围更加扩大。光具有波动性，光是电磁波，已被人们所公认。这种理论在光学发展史上占有特殊重要的地位。