光波是横波吗?

光波是横波吗?
光波是横波吗?

光波是横波吗?
惠更斯采用类比法的得与失
在科学史中,一个新概念从来都不会是一开头就以其完整的最后形式
出现.像古希腊神话中雅典娜一下子从宙斯的头里跳出来那样.普朗克
古希腊神话里有一个掌管智慧的女神,她的名字叫雅典娜.你知道她是怎么诞生的吗?那可真是神话中的神话.据说众神之主宙斯因担心自己的妻子墨提斯生一个比他更强大的儿子,于是竟将自己的妻子吞食了.那知刚一吞完,他马上感到头部剧烈疼痛.宙斯疼痛难忍,只好命火神将自己脑袋劈开.全身披铠戴甲的智慧女神雅典娜,立即从宙斯被劈开的脑袋里一跃而出.
这是神话,不是事实.在现实生活中,智慧、知识、思想……都决不可能是一蹴而成的.提出量子概念的德国杰出物理学普朗克曾经在一次关于物理学发展的演说中说："在科学史中,一个新概念从来都不会是一开头就以其完整的最后形式出现,像古希腊神话中雅典娜一下子从宙斯的头里跳出来那样."
光的波动本质这一新概念在刚提出来时,就诚如普朗克所说的一样,是很不完善的,它经历了近两个世纪不断地探索、充实才最终确立了它的应有地位.现在我们来回顾这一段历史,其中的成功与失败,都会给我们以新的启示.
十七世纪后半世纪,关于光的本性发生了一场激烈的争论,这场争论是物理学发展的必然产物,同时也是物理学继续发展的动力之一.争论的双方都是当时科学界的名流,一方是以牛顿为首,倡导微粒说；另一方是成就和威望比牛顿稍逊一筹的惠更斯为代表,主张波动说.光的微粒说认为光是由发光体发生的一种具有弹性的、直线前进的微粒子流；不同颜色的光有不同颜色的微粒,它们在棱镜中的速度各不一样,紫色微粒的速度最低,红色微粒的速度最高,由于这一学说能够很容易地解释光的直线前进及反射、折射,而且这种学说与当时已经建立的经典力学体系可以形成一个统一的整体,所以很容易为人们接受.
但牛顿的微粒说也存在着很大的困难.除了它不能令人满意地解释光的干涉、衍射及偏振以外,它甚至连胡克提出的一个极简单的责难都无法解释.胡克责问牛顿,如果你给光以微粒这样有形的性质,那么这些微粒在光束相交时为什么不发生碰撞（即光为什么不为光自身所散射）,而仍然像没有发生任何力学事件一样,照原样继续前进呢?牛顿大约也实在无法解释这一现象,所以他回答说："确实,根据我的理论,我可以得出结论说,光是物质,是有形的.可是我作出的这一结论决不是坚定不移的.我知道,我所确认的光的性质,在某种程度上不仅可以用这种假设,也可以用许多其他力学假设来解释."
虽然牛顿说他自己并没有"坚定不移"地"确认"微粒说,但他没有想到,由于他的威望该使多少人对进一步探索光的本质,望而却步!当然,有人敢于蔑视权威,并勇敢地向权威挑战.惠更斯就是一个.惠更斯从开始研究光学的时候起,就反对牛顿的微粒观点.
惠更斯比牛顿年长十四岁,出身于名门望族,他父亲与笛卡儿、墨森常有信件来往,笛卡儿还经常在海牙惠更斯的家里,受到惠更斯父亲热情的招待.当惠更斯在莱顿大学读书时,笛卡儿的思想对惠更斯影响极大,而且笛卡儿十分关心惠更斯的学习和研究,他很早就曾预言惠更斯前途无量.后来惠更斯果然在数学、力学、光学、光学应用技术以及天文学等方面均作出了杰出的贡献.
在光的本性的研究中,惠更斯站在笛卡儿和胡克一边,提倡波动说.大约是1676年惠更斯就能够用以他的名字命名的原理来解释反射和折射,这时他已经研究了不同介质的折射率.1678年,在法国科学院的一次会议上惠更斯公开向牛顿提出挑战,提出一篇解释光的波动理论的文章.这篇论文于1690年以《论光》的名字发表.两个半世纪以后,爱因斯坦评论说,惠更斯是"第一个提出一个完全新的光的理论的人".下面我们就惠更斯在论证光的波动本性所采用的思想方法的得失作一分析,这是饶有趣味而又有益的事情.
如果光不是如牛顿所说的微粒流,那末,它究竟是什么呢?惠更斯说："我们对声音在空气传播所知道的一切可能导致我们理解光传播的方式."这真是一个绝妙的类比!惠更斯还进一步解释了这一类比："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方向是以相同的速度进行的,所以必定形成了球面波,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递媒介物质的运动而到达我们的…….像声音一样,它也一定是以球面或波的形式来传播的；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,我们能看到水波好像在一圈圈逐渐向外播出去,虽然水波的形成是由于其它原因,并且只在平面上形成……".
从上面两段话可以清楚地看出,惠更斯正是由类比中才"无疑"地确信光也是"像声音一样",是以"波的形式来传播的".光的波动说一经提出,立即显示了它强大的生命力,甚至连牛顿也不得不将牛顿环现象与某种波联系起来,他还将光谱中的每一种颜色都对应于一定的波长.惠更斯之所以能取得这一成就,从思想方法上来说是因为他应用了一种很有创造性的思维方法--类比法.
类比法是古今中外的物理学家最常运用的一种思维方法,由这种方法所得出的结论,虽然不一定很可靠,但在逻辑思维中却富有创造性.热质说把热与流体类比；库仑定律中把静电相互作用与万有引力类比；卢瑟福将原子结构与太阳系类比；德布罗意将玻尔的量子条件与机械波的衍射、驻波进行类比；薛定谔将物质波与机械波类比……等等,这样由类比而使物理学获得重大突破的例子,是不胜枚举的.
正因为类比法具有广泛的实际意义,所以历来都为科学家和哲学家们所高度重视.黑格尔说："类推的方法很应分地在经验科学里占很高的地位,而且科学家也曾依靠这种类推方法获得很重要的成果."康德说得更令人深思："每当理智缺乏可靠论证的思路时,类比这个方法往往能指引我们前进."现代物理学的巨匠爱因斯坦也十分推崇类比这一思维方法,他曾说："在物理学上往往因为看出表面上互不相关的现象之间相互一致之点而加以类推,结果竟得到很重要的进展."
惠更斯正是将光与声进行类比,在光的本性这一重大课题上取得了重要的进展.但是,类比法是一种由特殊到特殊的逻辑思维方法,所以由类比法推出的结论带有很大程度的或然性.这是因为进行类比的两个对象除了有相似的一面以外,又有差异的一面,正是这种差异,限制了类比法的作用,这就要求我们在不同的对象间进行类比时,除了尽力找到类似的地方以进行类推,提出新的假说或模型以外,还应当尽力找到类比对象的不同点,以便适应新的假说或模型,作出创造性的发展.甚至可以说,由类比法所得出的结论,其可靠性应决定于类比对象间差异发现的程度,如果找不到或忽视了这种差异,由类比法得出的结论就会减低或完全失去价值.惠更斯的光波说之所以没有战胜牛顿的微粒说,除了有许多其他方面的原因以外,其中有一个很重要的原因就是他在应用类比法时没有充分注意到光与声的不同点,他在类比时走得太远,以至于使他自己陷入困境.
我们都知道波有两种：纵波和横波.振动方向与传播方向一致的波叫纵波；振动方向与传播方向垂直的波叫横波.光波是纵波还是横波呢?惠更斯在将光波与声波类比时,他认为光波与声波一样也是纵波.这一类比的错误结论,立即遭到牛顿的激烈反对,因为光如果是纵波,那惠更斯就无法解释光的偏振问题.丹麦哥本哈根的巴尔托里奴斯在1670年观察到：当一束光射入一种名为方解石的透明晶体时,产生两束不同方向折射的光,形成双折射现象.如果光波是纵波,就无法解释这一奇怪的现象,因为在这种情况下,作为纵波的光波在晶体中为什么有两种不同的传播方式呢?惠更斯承认自己无法解释这一点.
从方法论的角度来看,方解石的双折射现象,应该说可以提醒惠更斯,在声和光的类比中他是不是走得太远了一点?如果光不是如声波那样的纵波而是横波,双折射现象就比较容易解释一些.但惠更斯仍然没有迈出这一步,这不能说不是他的失误.
不过话又说回来,如果我们按照现在的知识水平去苛求惠更斯那也是不应当的.正如本节开始普朗克指出的那样,一个新的概念是不可能一开始就以完整的形式出现.事实上围绕对光的本质的探索,一直折磨了好几代物理学家.最后到1905年才由爱因斯坦彻底解决了一难题.这前后一共延续了两个多世纪!