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徐孟献的博客

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波动说与微粒说的争论及其科学哲学意义  

2017-05-09 20:03:49|  分类: 范围论 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  冀雪超
摘  要:光的波动说与微粒说之争,从17世纪初开始,至20世纪初以波粒二象性告终,前后共经历了近300年的时间。惠更斯、胡克、牛顿、托马斯·杨、菲涅耳、爱因斯坦等多位著名的物理学家成为这一论战双方的主辩手。光到底是波还是粒子,所有的微观粒子是波还是粒子,你和我到底是波还是粒子,这个物质世界到底是波还是粒子?本质是什么?有没有本质?波粒二象性的意义在一定程度上告诉了我们答案。 
关键词:波动说;微粒说;争论;

一、波动说与微粒说的争论   
(一)波动说的提出  中世纪之后,波动现象被深入地了解和研究,声音是一种波动的认识逐渐被人们所接受。人们开始怀疑:既然声音是一种波,为什么光不能够也是波呢?17世纪初,笛卡儿率先提出了这样的可能:光是一种压力,在媒质里传播。1655年,意大利数学家格里马第在实验中让一束光穿过两个小孔后,照到暗室的屏幕上,他发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像,于是马上联想起了水波的衍射,并提出,光可能是一种类似水波的波动,这就是最早的光波动说。胡克、惠更斯等人又相继做实验,发表论文,明确主张光是一种振动。麦克斯韦提出光是一种电磁波,使光的波动说得到迅速发展。  (二)微粒说的提出  古希腊时代,大多数的人们倾向于把光看成是一种非常细小的粒子流,认为光是由一粒粒非常小的“光原子”所组成的,当时的人们除了粒子之外对别的物质形式也了解得不是太多。这种理论,我们把它称之为光的“微粒说”。这可能是最早的微粒说。1666年,牛顿用三棱镜进行了著名的色散实验,发现了白光是由各种不同颜色的光组成的。光可能是球形的物体,这是他微粒说提出的初始形态,并用微粒说阐述了光的颜色理论。同时,牛顿用微粒说解释了光的直进、反射和折射现象。由于他的微粒说能够简单、通俗地解释一些光学现象,再加上牛顿当时的社会和学术地位,他的观点很快被众多人接受。  
(三)光的波动说与微粒说的争论  光的波动说与微粒说的争论长达300多年,双方都企图用一种观点去说明光的本性。光究竟是波动还是微粒?争论以波粒二象性告终。  1. 第一次争论:微粒说占据了物理界的主流  这次争论涉及到的主要人物有:格里马第,胡克,牛顿,惠更斯等。导致“第一次微波战争”爆发的导火索是波义耳在1663年提出的一个理论——波马定律。在格里马第的眼里,颜色的不同,是因为光波频率的不同而引起的。他的实验引起了胡克的兴趣。他重复了格里马第的工作,明确地支持波动说。波动说认为光是由于介质的振动而产生的一种波。波动说的支持者们假设了“以太”是光的传播介质。  1665年,牛顿在实验中发现了著名的“牛顿环”。 1666年,牛顿用三棱镜进行了著名的色散实验,得出了白色光是由七彩光混合而成的结论。1672年,牛顿向皇家学会评议委员会递交了一篇论文,名字叫做《关于光与色的新理论》。在这篇论文中,牛顿把光的复合和分解比喻成不同颜色微粒的混合和分开。胡克和波义耳正是当时评议会的成员,他们对此观点进行了激烈的抨击。微粒说没有得到发展。这时波动说方面由于荷兰物理学家惠更斯的加入得到了很大的发展。惠更斯继承了胡克的思想,认为光是一种在以太里传播的纵波,并引入了“波前”的概念,成功地证明和推导了光的反射和折射定律。1690年,惠更斯发表了《光论》,标志着波动说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点。1695年惠更斯去世,波动说没有了领导人,开始走下坡路了。   1704年,牛顿出版了他的煌煌巨著《光学》。详尽地阐述了光的色彩叠合与分散,从粒子的角度解释了薄膜透光,牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象。此时的牛顿已经成为科学巨人,他已经出版了《数学原理》,已经发明了微积分。已经是国会议员,皇家学会会长。他驳斥了波动理论,质疑如果光如同声波一样,为什么无法绕开障碍物前进,提出了许多用波动理论无法解释的问题。而粒子方面的基本困难,他将波的一些有用的概念如振动,周期等引入微粒论,从而很好地解答了牛顿环的难题。牛顿还把粒子说和他的力学体系结合在了一起,使得微粒说呈现出巨大的力量。  2. 第二次争论:波动说的光辉达到了顶点  这次争论涉及的主要人物有:托马斯·杨,菲涅耳,傅科,麦克斯韦,马吕斯。托马斯·杨的“光的双缝干涉”实验点燃了革命的导火索。  由于微粒说在近一个世纪以来一直占据物理界的主流,所以托马斯·杨的论文和观点并没有得到认可。但是托马斯·杨的干涉现象,微粒说根本无法解释。而波动说运用波长和相位差成功的做出了解释,反驳微粒说。1809年,微粒说的代表马吕斯发现了偏振现象,波动说无法解释。1819年,菲涅耳在他的论文《关于偏振光线的相互作用》提出光是一种横波。他以严密的数学推理,圆满地解释了光的衍射和偏振,为波动说奠定了基础。  按照微粒说,水中的光速应该大于真空中的。傅科在准确地得出光在真空中的速度之后,也进行了水中光速的测量,发现这个值小于真空中的速度。这一结果彻底宣判了微粒说的死刑。伟大的麦克斯韦于1856,1861和1865年发表了三篇关于电磁理论的论文,这是一个开天辟地的工作,它在牛顿力学的大厦上又完整地建立起了另一座巨构,而且其辉煌灿烂绝不亚于前者。麦克斯韦的理论预言,光其实只是电磁波的一种。[1]22这个预言由赫兹在1887年用实验证实了的。波动的光辉到达了顶点。  3. 波动说与微粒说的统一——光的波粒二象性  19世纪末期,黑体辐射、康普顿散射以及光电效应等许多问题无法用光的电磁波动说加以解释。1900年,普朗克提出了能量子假说,受普朗克能量子假说的启发,爱因斯坦提出了光量子的概念,并成功地解释了光电效应现象。1909年,爱因斯坦在出席萨尔斯堡德国自然科学家协会第81次会议时,作了题为《论我们关于辐射本质和结构的观点的发展》的报告,其中提到:“我认为,理论物理学发展的最近一个阶段,将给我们提供一种光的理论,这一理论可以被理解为波动理论和微粒说的一种统一”。爱因斯坦明确提出了光不但有波动性,也有粒子性。这就是光的本性——波粒二象性。光在传播时显示波动性,在与物质相互作用而转移能量时显示粒子性,两者不会同时显示出来。  
二、波粒二象性的科学哲学意义  
(一)波粒二象性的科学意蕴  数学上描述微观客体波粒二重性的实验事实是容易的,但是,一个具有完美数学形式的理论还不是一个成熟的理论,成熟的理论既应有完美的数学形式,还应有对数学形式所作的诠释性原理或与数学形式相对应的合理的物理模型。受到波粒二象性的争论的影响,出现了一系列完美的数学形式和科学思想。 站在粒子方面的海森堡矩阵力学,站在波动角度的薛定谔波动方程,计算与实验的精确吻合达到了近乎完美的程度。海森堡的测不准关系思想、波尔的互不思想、玻姆的隐序思想等等,实质就是一种应用于量子论的辩证法,至少它是辩证法的一种存在形式。  弦理论——波粒二象性的当代诘辩。弦理论起源于20世纪60年代物理学上的粒子物理时期。经过了两次革命:超弦理论和M理论。超弦理论从宇宙最基本的组成是点粒子和场,以及宇宙是四维时空的旧范式中跳离出来,建立起弦是宇宙最基本的组成物、宇宙的物质基元,宇宙是多维时空的新范式。它刻画了一个令人惊奇的世界:弦(或膜)是宇宙最基本的组成物,宇宙的物质基元,“宇宙就是由同样的弦弹出的不同乐曲组成的交响乐。”[2]121弦有两种基本的拓扑结构:开弦和闭弦。开弦是两端自由的线段,闭弦是首尾相接的闭合环。开弦好像代表着波动,闭弦好像代表着微粒,宇宙最基本的组成物也是同一个基本单位的不同的存在形式,波粒二象性与当代的弦理论紧密的结合在一起。  
(二)波粒二象性的哲学意义  波粒二象性的思想在一定程度上可以消解本质主义。本质是隐藏在现象后面的绝对的存在,形而上学意义上的实体。亚里士多德是第一个对“本质”这一哲学概念进行系统分析、论证的哲学家。照亚里士多德的解释,是指这样一种东西,“万物都由它构成,最初都从它产生出来,最后又归于它……”概括地说,就是承认世界上万事万物皆有其本质,人们可以运用理智与知识,通过严谨的科学推理和哲学的洞察力,透过现象给揭示出来。一切事物都可发现其本质,由此这一普遍永恒的本质成为人类知识信仰的基点。波粒二象性的思想,它从对立到统一,它的争论过程值得我们思考。从研究光的本质我们会得到:光的本质是什么?其实没有什么本质,而是取决于我们怎么观测它。也就是说,讨论哪个“真实”或者“本质”毫无意义,在某种观察方式确定的前提下,它的属性同观察联系在一起。光具有波粒二象性并不是它的一种存在状态,而是他的一种行为状态。它有两种表现形式,有时表现为波动性,有时表现为粒子性。如光发生干涉、衍射时表现出波动性,在与物质作用发生光电效应或康普顿效应时表现出粒子性。客观物质世界也是一样的,世界上万事万物都是如此,是否皆有其本质?客观物质世界的存在状态也取决于我们的观测方式。在生活中,在实践中,我们需要“本质”,但我们不能陷入“本质主义”;我们要抛弃本质主义而不是抛弃本质,我们要在抛弃本质主义中拯救本质。求本质并没有错,错的是在追求本质中陷入本质主义,这是可怕的。    

参考文献: 
 [1]曹天元. 上帝掷骰子吗?——量子物理史话[J]. 沈阳:辽宁教育出版社,2008. 
 [2][美]B· 格林. 宇宙的琴弦[M]. 李泳,译. 长沙:湖南科学技术出版社,2002.   
 

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