光的电磁理论_光本性的认识

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北京理工大学物理小论文

人类对光本性的认识 人类对光本性的认识
刘凡 班级：10310901 学号:20092263
摘要： 摘要：浅显地讨论和分析光的本质 关键词： 关键词：波动性，粒子性，波粒二象性，量子论 在《大学物理》波动光学的引言中，对光是这样描述的： “人类对光的认识 始终贯穿着“光的本性是什么？”这一根本性的问题。17 世纪

，牛顿(Newton) 认为光是一股微粒流，沿直线传播，它可以说明光的反射和折射。与此同时，惠 更斯(Ch. Huygens)提出了光是一种波动。 他认为， 光是机械振动在 “以太 （ether） ” 这种特殊介质中传播。直到 19 世纪初，人们观察到了许多光的干涉、衍射和偏 振现象，这些事实为“光是一种电磁波”提供有力的依据。然而在 19 世纪末到 二十世纪初。人们对黑体辐射和光电效应等实验规律的研究，又证明了光的量子 性，既具有波粒二象性。 首先，先谈一谈对光本性认识的意义：光学是人类较早用来认识和改造自然 界的科学之一， 在激光问世之后，光学这门古老的学科有了迅速的发展。不仅 丰富了原有传统学科分支=技术光学、薄膜光学的内容外，还形成了许多新的学 科分支，如非线性光学，导波光学、强光光学、全息光学， 激光光谱学等。使 得对波动现象的研究范畴由不相干到相干, 从线性到非线性, 从稳态到非稳态， 从有序到混沌、从纯态到压缩态, 学科知识更加丰富及深化。而上世纪初诞生的 量子论和相对论是对光本性讨论的直接结果。 继续讨论已经而且必将加深对这两 个伟大理论的理解和导致新的发展。 我们期望两个理论带来的困惑包括光本性在 内的光与物质统一性研究能够带来物理学基础的改革。 其次， 先总结一下历史上关于 “光的波动说” “微粒说” 和 对应的著名实验。 关于波动说，荷兰物理学家惠更斯（Christian Huygens）于 1690 年提出了一条描 述波传播特性的重要原理：在波的传播过程中，波前上的每一点都可以看作是发 射子波的波源，其后任意时刻，这些子波的包迹就是新的波面，也就是惠更斯原 理。它成功解释了当时已知的大多数光学现象，建立了惠更斯原理。他在此基础 上推导出光的反射和折射定律，圆满地解释了光速在光密介质中减小的原因。惠 更斯用光波既通过以太微粒、又通过晶体物质微粒传播的假设,非常圆满地解释 了光穿过冰洲石所产生的双折射现象。但是惠更斯虽然巧妙地用声波来类比,但 是他错误地认为光波是纵波,这被微粒说的支持者用光的偏振现象予以驳斥。其 后，同处一个时代牛顿却利用“太阳光在三棱镜下的散射成各种颜色的光”的实

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验在人们心中产生了重要影响，牛顿利用微粒说成功解释了光的折射、反射和色 散现象，不过,公正地说，牛顿并不是微粒说的毫无保留的坚持者和波动说的偏 执的反对者。大约一百年后，波动说又开始复兴。托马斯·杨( T. Young) 的“双 缝干涉实验” 为波动光学的复兴做出了不可磨灭的贡献。 他还说过这样一句名言： “尽管我仰慕牛顿的大名,但我并不因此非得认为他是百无一失的。我??遗憾地 看到他也会弄错,而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。同时，1814年， 菲涅尔的“单缝衍射实验”更是将“波动说推到极致”，因此，他因为“滑稽的 泊松亮斑” 获得了诺贝尔奖。到了19世纪60年代,英国物理学家麦克斯韦(J . C. Maxwell) 建立起完整的电磁理论。 他发展了光的波动说,用光的电磁波理论代替 光的机械波理论。这时波动说的最后一个难题—“传播媒问题”也被解决了。在 麦克斯韦以后的一个时期,光的波动说可以圆满地解释光的一切传播现象,光的 波动说达到了全盛时期。之后七年，德国人赫兹(Hertz) 在1888年测到电磁波, 宣告光的波动说进入了全盛时期,否定了光的微粒说,可正是他发现的光电效应 又导致了微粒说的复活。,1905 年爱因斯坦提出了光量子说。尽管爱因斯坦用光 子理论完美地阐明了光电效应,但这个理论一提出来,立即遭到几乎所物理学家 的反对。 幸运的是,不久以后,密立根意外地证实了爱因斯坦光电效应方程的正确 性,1923 年公布的康普顿实验结果强有力地表明了光量子图景的实在性。 光的波 粒二象性现象告诉我们,从宏观现象中总结出来的经典理论,对微观粒子不再适 用。 宏观概念中波和粒子是完全对立的,而光波不是宏观概念中的波,光子也不是 宏观概念中的实物粒子。所以,光的波动性和粒子性是辩正统一的。后来爱因斯 坦在1951 年曾这样总结他的探索:“整整50年有意识的思考还没有使更接近‘光 量子是什么’ 的答案,当然今天每一个不老实的人认为他知道答案,但他是在欺骗 他自己。 所以对于光量子至少还可以提出 ” “它是什么”“它有什么内部结构” ， ， “光子有没有静止质量”......一系列问题。这些问题需要进一步探索，我想信 对光的本性一定有更多的发展。 最后我们验证一下光是一种电磁波的正确性。由经典电动力学, 空腔中角 频率为 的光场(电磁场) , 其能量可表示为 E H K sin Q （4） p （ p + p + q tan ， √2a cos Q q ） （1） （2） （3） （5）

q和p分别为广义坐标和广义动量, 下标l 、m 和n 为光场振动模的指标。对一维
简谐振子的哈密顿量 通过引入生成函数 作正则变换得：q

H a. (6) 这里,Q 和a 分别为新的广义坐标和广义动量。 考虑一个力学体系,它含有大量的 简谐振子,这些振子具有相同的频率ω,但位相Q和振幅(或a)是随机的, q

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、p、Q 和a 视为随机变量，因此我们可以认为Q服从[0,2π]上均匀分布。令 V ρ q sin Q ，W 0， cos Q，从（4）和（5）可导出随机变量方程p ρ q dq 1， lim|
|

wq

√2awV 0

设ρq ( q) 为振子广义坐标q 的密度函数,它满足下列条件 ρ q 0, q ρ q dq

再引入波函数Ψ ，使得 Ψ q
Ψ

=ρ q ,再作傅里叶变换，做一复杂方程（略）， 0，这里γ ，, β 。Λ 和λ 和是两个拉

泛函I的最小值函数即是我们所需要的解。由变分法,我们得到如下欧拉方程 Ψ q 1 ω，n γΨ q

格朗日乘子。由(11)并注意Ψ(q)与ρq(q)的关系,我们可以求得本征值： γ 2n 0,1,2 …,这里β>0, 由狭义相对论及上式,我们易导出电 2n 1
2π H

磁场振动模的动量平均值：p

K, n

0,1,2 …

两个相邻动量平均值之差为:P=hK/2π。这也与通常所说的光量子的动量是一 样的。这样, 我们就直接从经典电磁场理论导出光场能量、动量量子化的结果。 用我们的理论能够解释光电效应,康普顿效应和黑体辐射光谱。 我相信经过科学的进一步探索，能够更深刻地发掘光的本质，尽管就现在 而言，光的波粒二象性是一个比较具有说服力的观点，但并不是完美无缺的，所 以，我很期待另一个“阿尔伯特.爱因斯坦”能够带来一次光学新的改革，我们 能更好的认识这个世界。 注:从“傅里叶变换”到“电磁场振动模量”的推论是借用佘卫龙教授的“光本 性理论研究新进展”论文 参考书目：《光本性理论研究新进展》 《殊途同归的光本性之争》 《大学物理》 佘卫龙 闫晓星 苟秉聪

王洪鹏 胡海云



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