《人类科学技术史-276》波动光学的胜利

波动光学的胜利

光的波动说自19世纪起得到复兴。1800年，托玛斯.杨(1733-1829年，英国）重新举起光的波动论大旗，强调光与声都是波的运动。他详细研究了声波的迭加，指出由于迭加会形成强弱相间的空间分布，他称这一现象叫"干涉"。次年，他提出光作为波也应有特定的频率和波长，并论述了两束光相干涉的规律。在此基础上他设法通过实验重现光的干涉现象。1807年，他在《自然哲学讲义》一书中详细描写了著名的杨氏双缝干涉实验。但是杨仍旧承继了惠更斯波动说的根本弱点，认为光是纵波而不是横波，因而他的理论不能战胜光的微粒说，也没有得到科学界的理解。

1808年，马吕斯(1775-1812年，法国）在研究双折射现象时，发现了"光的偏振现象"。随后又证明寻常光线和非寻常光线分别在两个相互垂直的方向上偏振。他进而研究了光在一般折射现象中的偏振，发现折射光的偏振和反射光的偏振是成相反分布的。马吕斯是光的粒子说拥护者，他认为这些事实击中了光的纵波说的要害，一些拥护粒子说的人们也认为这是对粒子说的"真理性的数学证明"。面对马吕斯的挑战，菲涅耳(1788-1827年，法国）和阿拉果(1786-1853年，法国）仔细地研究了光的偏振现象。1816年前后，他们发现两束偏振光当它们的偏振面平行时可以发生干涉，当它们的偏振面互相垂直时不能发生干涉。1817年，托玛斯.杨也领悟到如果放弃光的纵波理论而改为横波理论，就可以解释光的双折射现象。其时菲涅耳已产生这一思想，他立即发表研究报告，用光的横波理论解释光的干涉定律、偏振面转动理论、反射与折射理论。一般认为这些工作是光的横向振动理论的最终证明。但是这一理论并不能解释光的横向振动是如何产生的，因为按照机械波的弹性理论，只有密度较大的固体媒质才能产生横波，在稀薄的以太媒质中不可能有横波。

1818年，菲涅耳向法国科学院提交了竞赛应征论文。他以横波理论解释了光的偏振；用半波带方法计算出圆孔与圆板衍射。评委中的著名学者泊松是粒子说的拥护者，他用菲涅耳的方法计算出在小圆盘衍射阴影的中央会有一亮斑出现，他认为这一"荒谬"的结论足以驳倒波动论。菲涅耳和阿拉果立即用实验证实在阴影的中央确实存在亮斑，这亮斑后来就叫泊松亮斑。自此，光的粒子说日渐衰落。菲涅耳被人们誉为"物理光学的缔造者"。光的横波理论引起了对机械以太媒质的讨论，例如泊松提出以太是一种类固体的物质，柯西设想以太是一种易压缩易滑动的物质等，但是格林指出这些假设都是不稳定的。

1845年，法拉弟发现在强磁场中光的偏振面发生旋转，证明光和电磁现象存在联系。1856年，韦伯(1804-1891，德国）等人发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于光速。1865年，麦克斯韦的电磁场理论证明电磁波以光速传播，他立即断言，"光和磁乃是同一实体的不同属性的表现，光是一种按照电磁定律在场内传播的电磁扰动"。1868年，麦克斯韦发表了《关于光的电磁理论》一文，他将电、磁和光结合起来，创立了光的电磁波学说。传播光的电磁场当时被理解成一种"电磁以太"，而以往的"机械以太"假说逐渐被人们抛弃。

光速的测量是具有特殊的意义的。伽利略最早提出测量光速的实验方案，他认为光以有限大小的速度传播。1676年，天文学家罗默(1644-1710年，丹麦）和惠更斯利用木星卫星食周期的不规则性进行光速测量，罗默认为这一现象是因为光穿过地球轨道要经过22分钟，惠更斯利用这一数据首次计算出光速为2×10↑8米／秒。

1849年，菲索(1819-1896年，法国）首先开创在地面条件下测量光速，他设计了一个转动的齿轮装置，当光线从齿轮的凹部通过并聚焦在一只平面镜上，然后光线经反射再一次通过齿轮的凹部射入观察者的眼中。如果返回的光线恰好被一个转动着的齿挡住，观察者就看下见光线，此时齿轮的转速若增加一倍，光线又能穿过下一个齿缝，使观察者重新看见。这样光在往返一次所用的时间就可以利用转速和轮的齿数计算出来，从而可以计算出光速。他在实验时使观察者与平面镜相距8.633公里，齿轮转速为12.6转／秒，齿数为720，测得光速为313，300公里／秒。

1850年，傅科(1819-1868年，法国）对菲索的装置作了改进，他用高速转动的8角棱镜代替了转动的齿轮，由棱镜的转速和光线传播的路程可求得光速，他的结果是299，7960±4(公里／秒）。后来傅科在装置里充入水，测出了光在水中传播的速度，得到的光速仅是空气中光速的3／4，恰好等于水对空气的折射率。这一事实也证明惠更斯关于光的波动说的论断是正确的。

19世纪后半期，光速的测量往往用来证实以太的漂移。人们认为既然光和电磁波是靠以太传播的，那么在不同坐标系和不同方向上测到的光速应是不同的。这些实验工作在19世纪末导致了光速不变的结论，从而否定了"以太漂移"假说。