my光学发展中的辩证法

浅谈光学发展的辩证法
光学的发生、发展就是人们对光现象的认识逐步深入的过程。

光学从它的萌芽时期，经历了几何光学，波动光学时期，量子光学及现代光学时期。

光学发展的这几个阶段从一个侧面体现了人们对自然界认识的发展过程，体现了人们对自然界认识的辩证法规律。

这里将以光学发展中的一些典型事例说明对光的认识如何从一种主观的感觉到客观的存在, 如何从孤立的研究到与其它学科的相互联系, 如何从片面的弹性粒子或机械波即全面的波“粒”二象性的辩证发展过程。

一、对光的认识从主观感觉到客观存在的发展
人们对光的认识, 是从“人为什么看见周围物体“这个最起码、最基本的问题开始研究的。

对这个问题的认识, 最初是从主观印象出发认为人在看东西的时候, 从人眼发出某种像触须似的东西, 碰上了的物体就被看见了。

古希腊的欧几里德曾写道:“我们假想光是以直线进行的,光线自物体到人眼成为一锥体, 锥顶在人眼, 锥底在物体。

只有被光线碰上的东西, 才给我们看见, 没有碰上的东西就看不见了。

”这种错误的观点统治了一千多年, 后来埃及人阿尔—哈金反对这种从眼睛发出光线以观察物体的学说, 认为光线是来自被观察的物体, 人眼接收到了这些光线就看见了这些物体。

这样, 对光现象的认识, 从主观印象发展到客观实在的阶段。

光学发展的早期, 对光的颜色的解释特别困难。

光为什么有各种颜色。

最初认为是
一种主观感觉的不同。

1672年牛顿进行了著名的白光实验，让一束白光通过棱镜后, 在屏上形成了按一定次序排列的彩色光带—红、橙、黄、绿、兰、靛、紫。

牛顿指出, 日光是各色光复合而成的, 各色光在棱镜中受到不同程度的偏折, 而被分成各种颜色的光。

牛顿的白光实验, 使对光的颜色的理论开始从主观视觉印象上升到客观量度的科学高度。

1801 年英国人托马斯·扬进行了有名的双孔干涉实验。

它不仅使光的波动说得以复苏, 而且第一次测出了光波的波长。

后来进一步研究表明, 不同颜色的光, 是由它们的波长不同所决定。

这样对光的颜色的解释才真正客观实在为标准。

二、从孤立地研究到与其它学科相联系的发展
恩格斯说：辩证法是“关于联系的科学”。

光学的发展过程也揭示了自然界这一辩证规律，光学从它的萌芽时期到18 世纪, 处于对各种光的现象的观察分析和简单的实验阶段, 与其它学科一样, 都是各自独立发展, 相互间未建立起什么联系。

从著名的扬氏双孔干涉实验开始, 使被遗弃了一百多年的光的波动说得以确立。

对光的偏振现象的研究还确定了光波是横波的特性。

19世纪中叶, 自然科学各部门都在广泛收集了丰富的观察实验资料的基础上, 进入了综合概括的理性阶段。

1865 年英国物理学家麦克斯韦在总结了前人工作的基础上, 完成了它的电磁学理论体系, 发表了有名的麦克斯韦方程。

从这方程可知, 电磁场随时间的改变将拌随着空间的改变, 在真空中将以速度3*108米/ 秒传播。

这个数值就是光速。

而对电磁波的研究表明, 它在不同介质界面上与光波一样会发生反射和折射, 在传播中也出现干涉、衍射和偏振现象, 因此, 麦克斯韦提出光波就是电磁波。

上述事实说明, 过去光学和电磁学两个彼此独立的领域, 从此以后联系在一起了。

这也就从一个环节上揭示了自然界本身所存在的普遍联系的基本规律。

而光学本身“也由于证实了自然界本身中所存在的各个研究部门之间的联系, 而从经验科学变成了理论科学”。

光的电磁理论的确立, 对光学的发展起着非常重要的作用。

三、对于光的本性的认识, 从牛顿的弹性微粒与惠更斯的机
械波到现代光的演“粒”二象性的发展
光的本性是什么？在很长时间里, 人们只能根据它的现象作些猜测。

在过去几个世纪里曾提出过截然不同的学说, 进行了激烈的争论。

随着这些争论, 人们对光的本性的认识，由浅入深, 由现象到本质、由片面到全面, 而使认识不断地深化。

在近代科学史上, 最早对光的本质进行探讨的, 是英国物理学家牛顿。

他于1704 年发表了《光学》一书, 提出了光是微粒流的理论. 认为光是由高速运动的微小粒子组成, 从发光体放射式地沿直线向周围空间飞去。

从微粒说的观点出发, 很容易解释光沿直线传播和物体在光照下成清晰影子的现象。

结合弹性碰撞理论能说明反射定律：结合万有引力定律能说明光从空气进入水时会折向法线一侧的折射现象。

由于微粒说能解释光的直线传播、反射定律、折射定律, 加之牛顿本人当时的声誉和权威性, 因而一般人都赞同了微粒说, 致使在一百多年的时间里居于统治地位。

但是微粒说也遇到一些难以解释的问题。

例如光传播的独立性问题, 即两束光交叉通过某一区域时, 互相不受干挠。

既然光是微粒流, 为什么相遇时微粒之间不发生碰撞?尤其是牛顿本人发现的、在一块平板玻璃上放一块平凸透镜用单色光垂直照射时呈现明暗相间的同心园环的现象, 后人称之为牛顿圈。

用微粒说就难以解释。

这样使得牛顿本人对其微粒说也感踌躇了。

与微粒说的同时。

惠更斯则倡导波动说。

他于1678 年在其《论光》一书中, 从光与声的相似性出发, 认为光是在某种介质中传播的波。

由它可以解释反射、折射和双折射现象。

但是, 惠更斯当时所建立的还是机械波的模型, 没有指出光现象的周期性, 没有提出波长的概念, 因而不能阐明波动过程。

特别是当时解释不了众所周知的光的直线传播现象。

所以在很长时间里, 不为大多数人所接受。

如前所述, 一百多年后, 托马斯·汤以著名的双孔干涉实验有力地证明光确实具有波动性.1815 年菲涅耳以次波的迭加补充了惠更斯学说, 成了有名的惠更斯—菲涅耳原理。

运用它能很好的解释干涉、衍射现象, 包括牛顿所发现的牛顿圈问题, 对于光在均匀的各向同性介质中的直线传播现象, 惠—非原理也能园满解释。

因而光的波动说, 得以复苏, 为人们所接受。

由于麦克斯韦理论的成功, 把光波与电磁波统一起来, 使光的波动性的理论趋于完善, 开始了波动光学时期。

在十九世纪末, 光学也和整个物理学一样, 在绝大部分物理学家眼里, 认为物质世界的运动已经有了清晰的画面, 基本问题已经研究清楚, 留给下一代人所能做的工作, 不过是把已知的实验做得精确一些而已。

但是, 科学的发展也和一切事物一样, 有其自身的规律, 有其自身的矛盾运动。

在这完善的面前, 又出现新的尖锐的矛盾。

这就是黑体辐射中能量按波长分布的实验以及1887年赫兹所发现的光电效应实验。

这些实验都不能用波动光学及物理学原有的理论加以解释。

1900年普朗克提出了辐射的量子论的概念, 认为物质在辐射时其能量是不连续的, 而以单位hz或其整数倍的形式发射。

这样便成功的解释了黑体辐射实验。

1905年爱因斯坦把普朗克的量子论引进光学, 认为光也是不连续的, 提出了光子的概念。

提出了著名的爱因斯坦光电效应方程。

光子说的成功, 使光在其波动性的基础上又引进了微粒性, 这就是人们所说的光的波粒二象性。

上述事实表明, 光学的发展经历了一段长期的对立统一的过程。

微粒说与波动说之争,也沿着否定之否定的形式, 在新的基础上又统一于新的意义上的波“粒”二象性。

但是它的含意已不是原来惠更斯的机械波和牛顿的弹性微粒而仅是借用人们所熟悉的概念的一种类比。

它的物理图象, 还有待人们把它画得更加清晰。

但它已足以说明客观物质世界的多样性, 从一个侧面反映了物质世界存在形式具有连续性的同时而又具有不连续的一面。

光学, 从我国的墨翟（公元前468年—376年）算起, 已有二千多年多的历史。

它的发展是不断揭露矛盾和克服矛盾, 从不完全、不确切的认识逐步走向较完善、较确切的认识的过程。

这个过程并没有完结, 还将继续深化下去。

激光的问世, 给光学开辟了新的广阔领城和提出了不少新问题。

人们还将不断的实践认识、再实践再认识, 而不断揭示客观世界的辩证规律。