(二)波动说与微粒说之争

英国物理学家、天文学家胡克在他 1665 年发表的《放大镜下微小物体

的显微术或某些生理学的描述》(以下简称《显微术》一书中，明确主张光是一种振动。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。在讨论了光的直线传播和光速是有限的之后，他写道：“在一种均匀介质中这一运动在各个方向都以相等的速度传播。所以发光体的每一个脉动或振动都必将形成一个球面。这个球面将不断地增大，就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一样(尽管肯定要快得多)。由此可知，在均匀介质中扰动起来的这些球面的一切部分与射线交成直角。”[2]可见，胡克实际上已接触到波前或波面的概念。

胡克还研究了薄膜的彩色。他在《显微术》中记载了这样的现象：厚云母片是无色的，但将它揭成薄片时却呈现出了象虹一样美丽的颜色；他还发现，在反射面上盖上一层具有不同折射作用的透明薄膜时，也会产生彩色现象。他对薄膜的这一光学现象提出了解释，他认为这是由于直接从前表面反射的光和经过折射从后表面反射的光相互作用而形成的。胡克提出：“一束最弱的成分领先而最强的成分随后的光脉冲的混合，在网膜上引起蓝色的印象，一束最强的成分领先而最弱的成分随后的光脉冲的混合，则引起红色的印象。其他的颜色印象都可以由两种成分的先后排列情况作出解释。”[2]胡克的这种解释是不正确的。他认识到了这一现象与两薄膜的厚度有关，但是他还没有建立相位差的概念，对干涉现象不能作出正确的解释。

经典物理学的奠基者牛顿基本上是主张微粒说。他根据光的直线传播性质，提出光是微粒流的理论。他认为这些微粒从光源飞出来，在真空或均匀物质内由于惯性而作匀速直线运动。早在 1672 年 2 月 6 日牛顿送交英国皇家学会的一封信“关于光和色的新理论”中，就提出了光的微粒说，认为光线可能是由球形的物体所组成，并用这种观念解释了光的直线传播和光的反射折射定律。[6]

胡克和牛顿争论时，提出不少问题，特别是微粒说所不能解释的一些事情。为了回答胡克提出的问题，牛顿又进一步研究，想办法如何来完善自己的假说和理论。他认为他的光的粒子结构理论是正确的，但他也没有绝对肯定这个结论，而只能用“可能”两个字来表示。1675 年 12 月 9 日，牛顿在送交皇家学会的一篇论文《涉及光和色的理论的假说》中，提出了一个把光的微粒和以太的振动相结合的新假说。他写道：“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，那末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，正象石块被投到水中要引起振动一样。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。”[6]

除此之外，牛顿在 1675 年 12 月 21 日写给奥尔登堡(HenryOldenburg，当时皇家学会的秘书)的信中谈到他和胡克看法不同之处。牛顿认为，“除了假定以太是一种能振动的介质以外，我和他没有什么共同之点。然而我对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，这是一个很大的差别，正如他和笛卡儿的差别很大一样。”[6]

当牛顿在皇家学会宣读新的论文、阐述新的假说时，胡克却提出了关于优先权的要求。于是牛顿在愤慨之下，决定不发表光学著作。而牛顿多

年来的光学研究成果，在 1704 年(胡克死后的一年)才发表在他的《光学》著作中。这一事情看来是影响了光学的发展。[6]

牛顿在《光学》中指出光的波动性不能很好地说明光的直线传播这个最基本的事实。他在《光学》的问题二十八中写道：

“在有些假设中，把光描述成在某种液体介质中传播的一种压力或运动，这些假设难道会是正确的？⋯⋯如果光是瞬时传播或在时间中传播的压力或运动，它就应当朝影子内部弯曲。因为，在障碍物附近(它挡住了一部分运动)，压力或运动不可能在液体中沿直线传播——它们将发生弯曲，并在位于障碍物后面的静态介质中到处传播。”[4]

牛顿接着又写道：

“静水水面上的波沿较大的障碍物(它挡住了一部分波)边缘传播时，它会发生弯曲，并不断地向障碍物后面的静水水域扩展。空气波，空气的脉动或振动(它们构成声音)显然也会发生弯曲，但不会象水波那样强烈。小山虽然可以挡住我们的视线，使我们看不到钟或大炮，但在山后仍然可以听到它们的声音；声音很容易沿着弯弯曲曲的管道传播，如同在笔直的管子中传播一样。至于光，从来还没有听说过它可以沿着蜿蜒曲折的通道传播，或者朝阴影内弯曲，因为当一颗行星运行到地球与另一颗不动的恒星之间时，这颗恒星就看不见了。”[4]

在《光学》的问题二十九中牛顿明确地表述了光是微粒的观点。他指出：“光线是不是发光物质发射出来的很小的物体，因为这样一些物体能直线穿过均匀介质而不会弯到影子区城里去，这正是光线的本质。”[4]

“牛顿环”现象是牛顿的一项重要发现，从这一发现中他提出并确立了光的周期性。他在《光学》中详细地描述了这一实验现象。当他把一个平凸透镜放在一个双凸透镜上时，他观察到一系列明暗相间的同心圆环。压紧玻璃体，改变其间空气膜的厚度，又发现了条纹的移动。他还精确地测量了环的半径，发现环的半径的平方构成一个算术级数。这里最重要的是对光的周期性的发现。牛顿这样写着：“有时我一连数了三十多次周期性变化的序列，在每一个序列中都包括一明一暗的环，但是由于它们太窄无法数清楚。”牛顿的精确观察，本来是光的波动性的证明；他的测量也为确定各种色光的波长提供了根据，但是他并未由此走向波动说。

牛顿用他的光的微粒和以太振动相结合的新观点，解释了他发现的牛顿环现象。他设想光微粒在介质的界面上可以引起以太的各种大小的振动，即以太的压缩和扩散，并且按照其大小而激发起不同颜色的感觉，正象空气的振动按其大小而激起不同的声音感觉一样。他设想光微粒在介质界面处所激起的以太振动会在介质中传播开，而且是快于光速的，因而可以追上光线。由于这种追得上光线的以太振动的作用，使光微粒时而被加速时而被减速，从而使它一阵容易透射，一阵容易被反射。他在《光学》第二编第三部分中写道：

“每一条光线在通过任何折射面时，便处于某种为时短暂的过渡性结构和状态之中。在光线的前进过程中，这种状态每隔相等的间隔(等时或等距)内复发一次，并使光线在它每一次复发时容易透过下一个折射面，而在它相继两次复发之间容易被这个面所反射。”[2]这里所谓“等间隔”的复发，其实就是指光线的某种周期性。他还定义说：

“我将把任何一条光线返回到偏向于反射的状态，称为它‘容易反射

的猝发’，而把它返回到倾向于透射的状态称为它‘容易透射的猝发’，并且把每一次返回和下一次返回之间称为它猝发的间隔。”[2]

他还把这种“猝发的间隔”同光的颜色联系起来，认为红色光的间隔最大，紫色光的间隔最小。可以看出，牛顿所说的这种‘猝发间隔的距离’，在某些方面和后来波动说中所说的“波长”是很相似的。

坚持光的波动说，并想建立理论来解释它的是荷兰物理学家惠更斯(ChristianHuygens，1629—1695)。惠更斯于 1678 年向法国科学院提交了

《光论》这本著作，该书于 1690 年出版。惠更斯以下列论据来驳斥牛顿的微粒说，他写道：

“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，光射线在传播中，一条光线穿过另一条光线而相互毫不影响，就能完全明白这一点：当我们看到发光的物体时，决不可能是由于从它所发出的物质，象穿过空气的子弹和箭一样，通过物质迁移引起的。”[2]

惠更斯在批评微粒说时，提出了他的波动说。他认为光是由发光体的微小粒子的振动在充满于宇宙空间的介质“以太”中的一种传播过程，光的传播方式象声音的传播方式一样。他写道：

“我们知道，声音是借助看不见摸不着的空气向声源周围的整个空间传播的，这是一个空气粒子向下一个空气粒子逐步推进的一种运动。而因为这一运动的传播在各个方向是以相同速度进行的，所以必定形成球面波，它们向外越传越远，最后到达我们的耳朵。现在，光无疑也是从发光体通过某种传给媒介物的运动而到达我们的，因为我们已经看到从发光体到达我们的光不可能是靠物体来传递的。正如我们即将研究的，如果光在其路径上传播需要时间，那么传给物质的这种运动就一定是逐渐的，象声音一样，它也一定是以球面或波的形式传播的；我们把它们称为波，是因为它们类似于我们把石头扔入水中时所看到的水波，我们能看到水波好象在一圈圈逐渐向外传播出去，虽然水波的形成是由于其它原因，并且只在平面上形成。”[8]

惠更斯认为光波是一纵波，这一波以非常大但又是有限的速度在以太中传播。这种以太由不均匀的、微小的、弹性的、压缩得非常紧密的颗粒组成。因此光不是一种实际上的物质的迁移，而更类似于是一种“运动的趋势”，类似于通过一列球的碰撞而产生的系统的位移。因为以太颗粒不是成排而是无规则地分布的，一个被撞击的颗粒将把这种“运动的趋势” 传递给它运动方向上所有它所触及的颗粒。惠更斯由此断言，新的波前在被光所触及的每一个颗粒周围产生，并以半球形式散布开来。他认为产生于单一的点的单一波前是无限微弱的，不产生光，但无限多的这种波前重叠的地方就产生了光。这就是惠更斯原理。[6]

惠更斯原理的最有意义之处是用来确定波的传播方向。传播中波前上的每一点，都可以看成是一个新的波或子波的波源，新的波前位置就是这些小子波的包络线，这些子波是从原先波前上所有的点发出的。惠更斯应用这条原理成功地解释了反射和折射现象，并得出稠密介质中光的速度小于稀疏介质中光的速度的正确结论。

惠更斯在《光论》中强调他“解释了冰洲石奇异折射的原因”。1669 年丹麦哲学家巴托林纳斯发现有一种称为冰洲石的透明矿物晶体具有一种

特殊的性质。当光线沿一定方向穿过它时，它能把光线分裂为独立的两束光。如果绕着入射光的方向转动这块晶体，它发出的两束光，有一种称为正规的折射将保持不变，另一种称为不正规的折射，要随着晶体的转动而转动。他还发现当通过冰洲石看物时所有物象都成双地出现。他提出用“半回转椭圆波”来解释非正规折射。[9]当光线垂直入射到冰洲石的晶体表面上时，就形成两列子波，一是球面波，另一列是椭球面波。球面子波构成的是一个沿原来的入射方向继续前进的波前，而椭球面子波产生的波前要不断地偏向一旁，因而形成了非常光。惠更斯所作的这个

图 9—3

解释虽然是完全正确的，但他无法解释为什么光波在晶体中有两种不同的传播方式，正如他自己说的“我还未能找出产生这现象的理由”。[9]这是因为惠更斯以为光波中振动也象声音的情况那样是沿着其传播方向发生的(纵向振动)，在这种情况下，如果绕着入射光束的方向转动晶体就根本不应当有什么不同。另一方面，牛顿并不相信惠更斯的波和子波，他企图用如下的假设来解释这个称为双折射的现象：构成正规折射和非正规折射光的粒子在垂直于光线的方向上有着不同的指向。在《光学》一书的第二版中，牛顿把这两束光线之间的区别比做两根长棒之间的区别，其中一根棒的截面是圆形的，另一根是矩形的，如果绕其轴线转动第一根棒，就看不出会有什么差别，第二根棒的情况就肯定不一样了。牛顿写道：“所以每条光线都有一对侧面，原来就具有与非常折射有关的性质，而另一对侧面则不具有这种性质。”牛顿显然认识到光线一定具有某些横向的(即垂直于传播方向的)性质，但他未能具体看出这可能是些什么性质。[8]

17 世纪，光的波动理论处于萌芽阶段。笛卡儿认为光是一种压力，胡克却说光是介质中的迅速颤动(脉冲)，这个波动说经过惠更斯的加工，得到了进一步的发挥，但仍然是很粗略的。他没有指出光现象的周期性，没有提到波长的概念，更没有确立相位的概念。他认为光波是纵波，不能解释偏振效应。虽然当时已发现了干涉现象、衍射现象，但是波动论在对这些现象的解释上软弱无力。由于牛顿的权威，使得微粒说在光学中占统治地位达一个世纪之久。