光的性質

早期的科學家通過不斷的研究逐步揭示了光的各種特點：光是如何被透鏡折射的？光是如何投下陰影的？光的傳播速度有多快？然而對于自然光本身的了解則是理解以上所有光學特性的基礎。尤其是：光是由微小的粒子流——像機槍射出的子彈那樣——組成的，還是由波紋——像漣漪一般穿過無限的真空——組成的？

我們可以明顯地看到平行光線經過透鏡后匯聚于一點，而集中的光線可以使得焦點處溫度陡然升高，從而使得放大鏡成為“取火鏡”。放大鏡的這一用途在古希臘時代便為人們所知曉。據說公元前212年，希臘科學家阿基米德使用取火鏡擊退來犯的羅馬戰船，保衛錫拉庫扎。但是在這種情況下光線的光路是如何改變的？在其偏轉的角度之間又存在著什么性質？這些問題一直沒人能夠解答，直到1621年，荷蘭數學家威爾布羅德·斯奈爾（1580～1626年）才成為首位研究并測量光線偏轉角度的科學家。他發現光線由空氣進入玻璃中時，入射角（光線進入玻璃時的角度）與折射角（光線被扭曲偏轉后的角度）的關系同玻璃的屬性有關，稱之為“折射率”。

艾薩克·牛頓是最早對光進行科學研究的人之一，他堅信光是由微小粒子組成的，并以極大的速度運動。

另一位數學家、法國人皮埃爾·德·費馬（1601～1665年）揭示光能投影的原理。1640年，費馬指出由于光沿直線傳播，因此不可能“繞過障礙物”照亮陰影，這就是“費馬原理”。同時，費馬也觀察到光線在較為稠密的介質中傳播速度較慢。

1675年，英國科學家牛頓認為光是以微小粒子流的方式傳播的，因此提出了光的“粒子”理論。數年間，多位科學家均不同程度地質疑過這一理論，而羅伯特·胡克（1635～1703年）于1665年提出的光的“波”理論就直接挑戰著“粒子”理論。胡克根據光線被玻璃折射的現象以及光在密度較大的介質中傳播速度較慢的現象等，推斷光必然以波的形式傳播。1801年，英國物理學家托馬斯·楊（1773～1829年）發現光的干涉現象，這對“粒子”理論是最致命的一擊。干涉現象即為白光透過狹縫時，被分成由各種色彩組成的虹，而在當時，只有“波”理論能夠解釋這一現象。1804，托馬斯·楊將這一成果發表。

但是“粒子”理論與“波”理論的爭論仍未停止，直至20世紀初德國物理學家普朗克提出量子理論之后，才最終將這場爭論畫上句號。量子理論認為包括光在內的所有形式的能量，在空間中均以有限“量子”（普朗克又稱其為“小微粒”）的形式傳播，這同牛頓的“粒子”理論非常接近。但隨著現代物理的發展，1924年，路易斯·德·波爾（1892～1987）提出波爾量子理論，認為所有移動的微粒亦同時表現出“波”的性質，即“波粒二象性”，并證明了這一理論的正確性。因此，牛頓、胡克等人的理論均是正確的，科學上一個偉大的爭議話題也最終畫上了句號。

干涉現象證明了光擁有“波”的性質。左圖展示了白光通過兩條平行的狹縫后，被分為其成分色，又組合產生彩色條紋圖案的過程。