牛顿研究思想与光学发展

大约在公元前500年，古希腊人就开始探索光的性质。当时，真正感兴趣的重点不可避免地是将太阳光应用于军事方面。并且，这种具有深奥哲学性质的研究不太实用，以致没有太大影响。

到伽利略（Galileo，1564—1642）时代，才开始采用近代的科学方法将实验提高到一个真正有意义的使用位置。在此之前，认为试验是一种比较低级的、相当凌乱的行为，而不是一个绅士所为（即使今天，仍受到该时期的影响！）。在伽利略去世的那一年，牛顿（Newton）出生了，这两个人为我们以后300年使用的科学方法奠定了基础。

牛顿相信光以粒子形式存在于自然界，因此有理由推断：光是某种物质的一束射弹，据此可以满意地解释光是直线传播的事实。然而，牛顿认识到，这种观点难以与某些实验数据相吻合；并且，企图通过将一些不太可能的性质归属于其粒子说来解决这些矛盾。然而，他仍然保留了这种基本的微粒性。

牛顿的研究思想是如此之巨大，直至其去世之前（1727年），在其他物理学科和数学分支应用微粒说凸现了许多重要发现，诸如欧拉（Euler）、Yong和菲涅尔（Fresnel）等人的研究结果。这些人相信，光是以太中的一种波动。在他们中间已经研发出一种非常重要的理论，能够非常好地解释众所周知的光学现象——干涉和衍射。18世纪末和19世纪初期，波动说快速得到传播。

通常认为，对最终形成的波动理论做出贡献的是傅科（Foucault，1819—1868），其在1850年完成了一项试验，证明光波在水中比在空气中传播的要慢。该结果与波动理论一致，但与微粒学说相矛盾。

在以后的50年内，波动理论一直摇摆不定，直到1900年，普朗克（Planck，1858—1947）发现，可以很方便地从数学上证明光是以离散波束或“量子”的形式从辐射体中发出，而不是一束波连续射出。虽然普朗克（Planck）是第一个从数学角度解释发射强度和波长之间的实验关系，但却是爱因斯坦（Einstein，1879—1955）立刻抓住了该发现的基本重要性，并利用它解释光电效应，认为光的作用就是从物质中发射电子。这样的解释完美简单，并令人心悦诚服。看来，光确实具有某些微粒的性质。

与此同时，在波动理论方面还有一些令人烦恼的事情。在19世纪初期，研究人员就已经认识到，如果光振动是垂直于传播方向，那么“偏振”现象，例如冰洲石（方解石的一种）晶体中可以观察到的现象，就可以得到解释。麦克斯韦（Maxwell，1831—1879）借助于其著名的场致方程式已经（在1864年）证明了：摆动量是电场和磁场。(www.xing528.com)

然而，会出现另一个问题，即存在这些摆动的“以太”的性质是什么？特别是天文体如何毫无阻力地通过以太？1887年，麦克尔逊（Michelson）和莫雷（Morley）完成了一个非常著名的实验，企图测量出地球相对于这种以太的速度，得到的结果始终都是：速度为零。由于已经知道地球是绕着太阳运转，所以，结果使人非常迷惑，使人似乎感觉传播光波的介质实际上是不存在的。

以太实验的零（速度）结果被爱因斯坦（Einstein）根据其两个相对论（狭义相对论（1905年）和广义相对论（1915年））具体解释为一种全新的时空概念。在空间域传播和在时间域振荡的光在这些理论中起着至关重要的作用。

物理学（约1920年）已经达到这样的水平：光似乎具有微粒性（量子）和波动性两种性质，这要取决于具体情况。为了综合这种两重性，已经发现（由德布罗意（deBroglie）在1924年提议，后由戴维森（Davisson）和杰默（Germer）于1927年发现）电子（以前相当清楚地认为是粒子）有时会呈现波的性质，以一种类波的形式产生干涉和衍射图。

实际上，现在已经认为，波-粒双重性之间的明显矛盾是人们企图将所有的物理现象都归于人类可及范围之内所发生的事情及必然要产生的结果。由于受到思维模式的限制，人们认为，光子和电子或者具有粒子的性质，或者具有波动性质，已经是在根据物体（例如棒、石头和水中的波，以及在特定事态环境下必须对物体进行的理解）的习惯进行有条件的思考。

事实是，利用这些相同的术语（或条款）不可能描述自然状态下基本的原子过程，当试图强制将它们纳入人们比较熟悉的理解框架结构中，例如电子和光子的波粒双重性，就会产生很明显的矛盾。电子和光子既不是波，也不是粒子，而是一种实体，其真实名字已经稍微超出了我们的概念理解能力。我们完全被自己的喜好所左右，虽然有时是必须的并经常发生，但在心理或头脑中，会幻想到某个场景的现实化。

具有规范对称性和场量子化特性的近代物理学几乎不可能给出任何描述，而是另外一幅情景。