13.1 光的历史

来源： 课堂笔记 §6.1

出发问题：光是什么？ 长期以来有两种经典理论对峙：

牛顿（微粒说）	惠更斯（波动说）
光 = 以 $c_0$ 运动的小粒子	光 = 经典波
解释反射、折射	解释反射、折射、衍射
玻璃中 $c$ 大于 $c_0$（错！）	玻璃中 $c$ 小于 $c_0$（对）
局域（粒子有确切位置），亮度「量子化」（1 个、2 个、N 个粒子）	延展（不局限于一点），亮度连续（振幅——任意两亮度之间总有无穷多级）
不需要介质	介质 = 「以太」（一种假想的、弥漫一切的介质，光波理应在其中传播——类比声音之于空气；后被推翻）

关键里程碑：

年份 / 人物	贡献
1801/02 杨（Young）	双缝（→ [[zh/themen/Paradigmatische Experimente/4.4#4.4 双缝实验（Young，1801/02）
1856 傅科（Foucault）	液体中 $c<c_0$ → 支持波动
1860 麦克斯韦	光 = 电磁波，统一电磁学与光学（史实：理论成于 1861–65，此处按考纲/课堂口径取 1860）→ [[zh/themen/Elektrodynamik/14.1#14.1 电学简史
1888 赫兹	按麦克斯韦理论产生微波——电磁波的实验验证（实验 1886–88）
1900 马可尼（Marconi）	首次跨大西洋无线电通信——电磁波的实际应用（史实：1901；考纲取 ~1900）
1900 普朗克	$E=hf$——能量量子化（量子物理基石）
1905 爱因斯坦	光电效应 → 光子 → 波粒二象性
今天	QED（量子电动力学——描述光与带电物质相互作用的现代量子场论）

✎ 两种理论为何对玻璃中的 $c$ 给出相反预言？ 这正是那场决定性的「裁判」实验。

• 牛顿（粒子）： 玻璃在入射时沿垂直方向吸引并加速光粒子 → 光在玻璃中应更快（$c_{\text{玻}}>c_0$）。要让光「折向法线」，按粒子说只能靠变快。
• 惠更斯（波）： 波前每点都是新子波的出发点。在更密的介质中子波跑得更慢 → 波前折向法线，且 $c_{\text{玻}}<c_0$。
• 裁决： 傅科于 1856 年直接测得光在水中更慢 → 惠更斯对，牛顿错。（今天：介质中与原子的相互作用使光变慢——$c=c_0/n$，$n\dots$ 折射率 $>1$。）

✎ 为何只有波动能解释衍射？ 粒子直飞，无法「拐弯」绕到缝后；波则在窄缝后呈圆形扩展（见 §13.5）——杨正是看到了这个（双缝干涉）。而真正判决性的是暗条纹：屏上有些地方「光 + 光 = 黑暗」（相消干涉）——「粒子 + 粒子」只会更多，绝不可能相互抵消。所以粒子说一度落败。

✎ 麦克斯韦为何能从理论里「算出」光速？（口试常问） 前传是法拉第：奥斯特发现「电流生磁」（E → M），法拉第凭对称性猜想反向也成立——「变化的磁场生电」（M → E，电磁感应）——并提出场的概念：空间里真实存在电场与磁场。麦克斯韦认真对待这些场并追问：若电荷或磁极变化，场线会发生什么？

1. 发现： 场的变化以电磁波的形式向外传播（这也间接证明法拉第是对的：场确实存在）。匀速运动的电荷只带着场走；加速运动的电荷才发射电磁波。
2. 这种波跑多快？ 由他的方程，用两个纯电磁常数即可算出：$c={\displaystyle \frac{1}{\sqrt{{\epsilon }_0{\mu }_0}}}\approx 3\cdot {10}^8$ m/s（${\epsilon }_0\dots$ 真空介电常数；${\mu }_0\dots$ 真空磁导率）——恰好等于测得的光速。「这个数值不可能是巧合」→ 光是电磁波。
3. 结果： 电磁学与光学统一为电动力学——这也再次支持波动说。（详见主题 14。）

✎ 以太为什么被需要——后来又怎么被抛弃？ 当时已知的一切波都需要载体（声音之于空气、水波之于水）。光若是波，「理应」也有介质 → 假设以太充满全空间。但这假设自相矛盾：要让光这样的波传过去，它得是固体，同时又必须极其稀薄，以免阻碍行星运动（课堂笔记 §6.1）。抛弃的理由：麦克斯韦的电磁波是场本身的振荡，根本不需要介质；✎ 专门寻找「以太风」的实验（迈克尔逊–莫雷，1887）一无所获；爱因斯坦 1905 年的狭义相对论使以太彻底成为多余。

✎ 光速 $c_0$ 是一个自然常数。 真空中光速 $c_0\approx 3\times {10}^8$ m/s 是一个自然常数：它不依赖光源的运动、不依赖观察者、也不依赖颜色/波长——单色激光和白光在真空中同速。（这点后来成为狭义相对论的基石——见主题 6。）

✎ 测光速简史（逐步）。

1. 伽利略（约 1600）用两人提灯笼隔山对测：A 开灯，B 一见光就立刻开灯，A 测往返时间。结果：除了人的反应时间，什么也没测到。他由此（错误地）以为光速无穷大/瞬时。错因：光太快、地面距离太短——所需的传播时间远小于人的反应时间，根本测不出来。他真正能下的结论只是「光比声音快得多」。
2. 罗默（Rømer，1676）： 他观测到木卫一（Io）的食随地球—木星距离变化而提前或延后出现 → 首次得出光速有限的估计。
3. 斐索（Fizeau，1849，齿轮法） 与 傅科（Foucault，1850/1856，旋转镜法）： 首次在地面上精确测出 $c$；傅科还借此测出光在水中更慢（支持惠更斯，见上）。

19 世纪末，光被认为是电磁波——直到普朗克和爱因斯坦发现了纯波动理论的一个缺陷（光电效应，§13.2）。今天的解答是波粒二象性：光两者皆是，视实验而定（§13.6）。