光的本质研究论文

一、 对光性质的认识。那至于人对光的性质方面的认识，就更经历了更长的时间更多的争持。早在古代，人类对实物和光就有了一定的认识。随着近代自然科学的建立，实物和光在物理学和化学中被系统地加以研究。但是，直到19世纪，实物和质量，光和能量还被人为地混淆在一起。在这个时期，人们认为实物是由单个的粒子构成的，是由被赋予一定质量(原子量和分子量)的原予和分子构成的，实物具有间断的结构。在实物结构中不容许任何非连续性。关于光，在牛顿时代就存在着微粒说和波动说的斗争。可是，随着光的干涉、衍射的发现，托马斯•扬和菲涅耳在19世纪复活了光的波动论，从此波动说在光学中占了上风。光与运动相提并论，被视为剥夺了重量和质量的能量形式。光是波动的，因此具有连续性的结构。就这样，实物和光在性质和结构上是绝对对立的，二者之间既没有任何统一，也根本不容许它们相互转化。但后来经过一系列的争论与研究后，发现光像实物一样也具有质量。光呈现为一种内部矛盾的现象：光像波一样传播着，此时表现出自己的波动性，由此产生出光的干涉和衍射现象；光在发射和吸收时，这些过程不是以连续的" 流'进行的，而是以间断的份额、以量子进行的。这直接证实了辩证唯物主义关于自然界没有截然的分离、没有绝对的界限的观点，同时也十分清楚地显示出，世界的统一性的确在于它的物质性，因为光的物质性的发现直接导致光作为物质的另一种物理形式同实物的统一。 这里需要说明的是，光所具有的质量没有力学性质。据现代物理学的观点，光的特点是没有" 静止质量" ，也就是说光的静止质量等于零。按其本性光的质量具有电磁特性，它与运动着的电子的质量一样，可以称为" 运动质量" (以区别于"静止质量" )，光所固有的全部质量都是" 运动质量" 。这意味着，光不能以静止的状态存在，不能把光想像为相对静止。如果在光的通道上设置绝对黑体，使光" 停顿" ，那么这个绝对黑体将吸收光，光将经受质的转化，转变为运动着的物质的另外的形式，如转变为热的形式。这又证明了辩证唯物主义的一条原理：物质只是在运动中存在，世界是运动着的物质。就这样，在20世纪初，实物和光之间的人为分离开始得到消除。但是在此时，人们认为实物并不具有波动性，而且光和实物之间依然不能相互转化。 物质的两种物理形态由原先的分离走向统一的认识过程，是在光学领域开始的，接着进一步在物理学的其他领域，首先是在电子物理学领域延续和深化。由于普朗克的量子论，以实物和光的分离为基础的旧观念已发生了严重的动摇。人们不禁要问，如果光不仅是连续的、波动的过程，而且也是间断的、具有量子特征的过程，那么难道不应当预期，实物不仅表现出间断的、原子的特征，而且也表现出波动的、连续的特征吗?法国物理学家德布罗意就是这样设想的。他在1924年11月25日进行的论文答辩中，从爱因斯坦的光的波粒二象性出发，依据形式上的类比，提出了物质波的大胆假设，认为以前只是属于光的波动特征，同样也应该在实物(例如电子)身上表现出来。随着时间的推移，科技的发展，人们对光的认识越来越深刻，越来越丰富。目前人类对光的认识远远多于只是其色散方面和性质方面的认识。然而，对于世间万物来说，人类目前对光的认识还是不全面的，肤浅的。对光的更多的认识，还有待我们人类的世世代代的不断丰富。

01

通常来说，人工光源中的高压脉冲氙灯的亮度是最高的，它的亮度与太阳不相上下。可是有一种人造光的最高亮度却能超过氙灯十几个数量级（百万亿倍），比宇宙中最剧烈的恒星爆炸所产生的伽马射线暴还要亮一百倍。

1968年1月20日，在距离地球30万公里远的月球上，美国探月太空船“测量员7号”将携带的电视摄像机指向了地球，此时的地球就像一弯“月牙”挂在漆黑的浩瀚宇宙空间中，此时的整个北美大陆正处于一片黑暗之中，然而在摄像机里，黑漆漆的美洲大陆上却出现了两个亮点，这是UFO？还是城市灯光？

实际上，这两个亮点一个是来自美国亚利桑那州的天文台，一个是来自加州天文台。它们是由几年前发明的激光器所产生的激光光源，功率仅有2W。有意思的是，从30万公里远的月球上看地球，所有灯火通明的城市都是一片漆黑，只有这两只区区2W的激光光源能被摄像机观测到。

这2W激光的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（在1平方米面积上所得的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯），若用1000W功率的氙气探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。

激光亮度如此高的主要原因是：大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，因此激光的能量密度可以随着功率的提升而没有上限。

激光的全称为“通过受激辐射产生的光放大装置”，最初的时候，激光的中文名被直译为“镭射”。1964年，钱学森先生将其改为“激光”并沿用至今。激光技术被认为是20世纪的四大发明之一，继原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后，影响世界的又一重大科学技术新突破。

如今激光技术被应用到了各行各业，与我们的生活息息相关。可是无论我们是否意识到每天都在使用着激光技术，又有多少人真正了解激光的发光原理是什么？

02

自古以来，人类对“光”的探求便从未停止过。古希腊人认为光是人眼伸出去的无形“触须”，这些触须碰到什么东西，人眼便能看见什么。

我国古人对光有着较深的认知：自然光以太阳为主，夜晚有月亮为辅。因而古人在甲骨文中用“明”字来比喻光照，西汉时期的《周髀算经》中也指出了：“日兆月，月光乃生，故成明月。”而甲骨文中的“光”字是一个人举着一把火的样子，古人十分明确地指出：“日，火也”。

在冷光方面，不管是对于二次发光的荧光还是低温氧化的磷光，我国古人也有着较深的认知：

西汉时期的《淮南子》中最早记载了梣木发荧光的现象：将梣木块浸在水中一整天，晚上便可见其发出紫色、浅黄色等荧光来。有意思的是，在希腊神话中，宙斯创造人类时，人是从梣树里诞生的。

《淮南子·汜论训》中还有：“久血为磷。”的记载，并生动的形容血在地上“暴露百日则为磷，遥望炯炯若燃也”。

我国清代著名科学家郑复光对“光”的总结非常精彩：“光热者为阳，光寒者为阴。阳火不烦言说矣。阴火则磷也、萤也、海水也，有火之光，无火之暖。”

从上面这些记载中可以看出：我国古人对于自然现象的理解普遍要深刻于西方人。

可是，到了牛顿时代（十八世纪），西方科学便成为了世界主流。牛顿认为光是一种微小的颗粒在空间中的传播。1704年，牛顿在《光学》中以微粒说来解释光的直线传播、反射、折射以及颜色等问题。此时的微粒说与其创立的经典力学的概念框架是一致的，微粒说统治了光学理论一百多年的时间。

“尽管我仰慕牛顿的大名，但是我并不因此而认为他是万无一失的。我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。”

1801年，英国医生托马斯· 杨在他出版的《声和光的实验和 探索 纲要》一书中勇敢的做出了挑战牛顿的宣言。

托马斯·杨提出：声和光都是在充满整个空间的以太流体中传播的弹性振动——波。他还通过大量实验，精确地确定了各种色光的波长值。

更为可敬的是，托马斯·杨还做了一个对经典物理学影响深远的著名的双缝干涉实验：他把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形成了一个点光源（从一个点发出的光源）。这张纸的后面的第二张纸上开了两道平行的狭缝。当烛光穿过两道狭缝投射到墙上时，就会形成一系列明、暗交替的条纹。

可惜的是，这位医生在当时科学界的处境就和我们今天所说的什么都懂一些的“民科”类似， 他的论文受尽了当时物理学权威们的嘲讽，被攻击为荒唐和不符合逻辑。

可是，列宁说过：“真理往往掌握在少数人手里。”

1818年，一位年轻的法国土木工程师奥古斯丁·菲涅尔向法兰西科学院递交了一篇《光是波动》的论文，他指出光就像水波和声波一样，遇到障碍物就会产生衍射，并绕道障碍物后面去，不同的光波相遇时可以互相干涉，并形成明暗条纹。

可是，一位牛顿的忠实支持者却反驳了他的观点，这位法国数学家西蒙·丹尼斯·泊松认为，根据菲涅尔的理论，如果把一束光平行照射到一个小球上，那么在小球影子的正中间将会出现一个亮点，这是非常违背常识的，因为影子就该是黑色的，怎么还会出现亮点呢？

这时，一位英国物理学家多米尼克·弗兰西斯·让·阿拉戈在众人的见证下做了一次实验，以事实证明了圆球影子中间的确有个亮斑。

这是因为小球虽然挡住了照射到它身上的光，但是它也扰动了从它旁边穿过的光线，从而引起了衍射。这些衍射的光线在小球影子正中间相遇时，由于都经过了相同的路程，所以具有相同的向往以及干涉相长，因此正中间应该出现一个相对明亮的点。

自此，光的波动理论开始为世人所重视。

可是，不管是微粒说，还是波动说，它们讨论的都只是光的一种传播状态而已，那么光的本质到底是什么呢？

1905年3月，爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文：

对于时间的平均值，光表现为波动；

对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。

这是科学史上第一次将微观状态下光的波动性和粒子性统一为一体，即光波的波粒二象性。也就是说，光同时具有波和粒子的双重性质。

03

上面说了很多，无非是让大家明白“光”的本质到底是什么。这对于人类将光收为己用并深度加工起到至关重要的作用。接下来，人类 科技 发展的焦点将要集中在一个人的身上。

“有麦克斯韦就有光明。”

当科学出现重大突破时，震撼的不止是人心，而是影响后世。

1864年，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦将自然界中的电、磁、光三种物理现象融合为一体，并用简洁、对称、完美的数学方程形式表达出来。

原来光还是一种电场与磁场相互纠缠在一起并以波的形式传播的“电磁波”。

十几年后， 德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹用双电感线圈的输电实验证明了电磁波真实存在。电磁理论的确立对之后的 通信、广播、计算机、信息传输、材料科学、光学研究等各种高 科技 领域的发展奠定了基础。

因此， 麦克斯韦的电磁理论被费曼誉为是人类 科技 史上最伟大的物理发现，它对人类文明的发展确实影响深远。

04

电磁波属于能量的一种，因此它与温度有密切的关系。从科学的角度来说，凡是高于绝对零度（-273.15 ）的物质，都会释出电磁波。

那么，激光也是物质发光的一种状态，要想了解激光产生的原理，我们先要了解构成物质基本单位“原子”的结构。

通常来说，原子有一个稳定的结构：原子核和周围高速运动的电子。

这些电子会在各自的能级轨道上运动，当原子被动吸收一个光子后，外层轨道的电子会跃迁到更高能级的轨道。这是一种不稳定的状态，仅能维持较短的时间。当原子自动释放这个光子后，电子会返回到正常的低能级轨道（表现为发光），回到原本的稳定状态，这被物理学家称之为自发辐射。

简单来说，根据能量守恒定律，当一个原子的能量发生变化时，其变化的能量并不是凭空产生或凭空消失的，而是以光子的形式进行传递。

1917年，爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级上的原子还可以另一种方式跃迁到较低能级。

当光子入射时，也会引发原子中的电子以一定的概率迅速地从高能级跃迁到低能级，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。

可以设想，如果有大量相同状态的原子，当有一个光子入射时，激励其中一个原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励两个原子，又使其产生受激辐射，可以得到四个特征相同的光子，以此类推，意味着最初的一个光子可以被连续的成倍放大。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是“激光”。

1951年，美国物理学家查尔斯·哈德·汤斯想到了一个提高受激辐射的奇妙想法：如果能不断地提供处于高能级的原子，这样便能保证得到越来越多的光子。

他把这些高能级的原子放在两个反射面之间，这样一个光子就能来回在高能级的原子间往复穿梭，当产生了足够多的光子以后，再从一个稍微透光的反射面发射出去。

汤斯的这个奇思妙想可谓是一个伟大的构想，之后所有的激光器都应用到了他的这种设想。

七年之后，汤斯和美国科学家肖洛又发现了一种神奇的现象：当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了“激光原理”：

即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光——激光。这个理论使它们获得了1964年的诺贝尔物理学奖。

1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家西奥多·梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束真正的激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。

梅曼的方案是：利用一个高强闪光灯管来激发红宝石，由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，所以当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。

结语

人类对光的追求从未停止过，而激光是人类最杰出的发明之一，如今，激光技术被应用到了军事、医疗、工业、商业、科研、信息等六大领域，堪称与时俱进的国之重器。

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