光学发展中的哲学问题与思想

《自然辩证法》课程论文《光学发展中的哲学思想》田济铭201521050303 光学发展中的哲学问题与思想 论文摘要:光学作为物理学的一个分支,它也符合人们对物理现象的认识的规律,即在观察和实验的基础上,对物理现象进行分析,进而提出假说,形成理论。当理论和实践相一致时,就循着这条路走下去,发现新的东西使理论不断完善;当理论和实践相矛盾时,就修正、补充理论,使之与实践尽量相符合,或放弃原来的理论而建立新的理论,并不断反复经受实践的检验[4]。在物理学的发展史上,人们对“光本性”的认识,就是沿着这条曲折的道路前进的。 关键字:光学,哲学思想,实践,矛盾,理论。 一.光学工程专业简介 我的专业是光学工程,光学工程简介:1997年,在我国光学界泰斗王大珩院士的建议下,国务院学位委员会同意将“光学工程”列为工学一级学科。作为一门理工交叉的学科,光学工程学科的理论体系得到了不断地完善与发展,如今光学工程已发展为以光学为主,并与信息科学、能源科学、材料科学、生命科学、空间科学、精密机械与制造、计算机科学及微电子技术等学科紧密交叉和相互渗透的学科。它包含了许多重要的新兴学科分支,如激光技术、光纤通信、光存储与记录、光学信息处理、光电显示、全息和三维成像、薄膜和集成光学、光学与光纤传感、光探测、激光材料处理和加工、弱光与红外热成像、光电测量、现代光学和光电子仪器及器件、光学遥感技术以及综合光学工程技术等。这些分支不仅使光学工程学科产生了质的飞跃,而且推动建立了一个规模迅速扩大的前所未有的现代光学和光电子产业。 一说起光学这个专业我们首先要问的一定是,什么是光,光是什么?这个关于光本质的问题,是人类自然科学历史上最有名的几场大辩论之一,其参与人数之多,覆盖面之广,令人咋舌。而这一延续的好几百年的大辩论,从本质上去看正是自然辩证法中人们认识新事物的过程,即在观察和实验的基础上,对物理现象进行分析,进而提出假说,形成理论。当理论和实践相一致时,就循着这条路走下去,发现新的东西使理论不断完善;当理论和实践相矛盾时,就修正、补充理论,使之与实践尽量相符合,或放弃原来的理论而建立新的理论,并不断反复经受实践的检验,人们对“光本性”的认识,就是沿着这条曲折的道路前进的。而光学发展中的哲学思想我认为可以从以下三个方面来论述。 二.人们通过对光现象的感性认识结合实践得出光本质的一般规律 光是人们接受外界信息的重要来源,光学的发展实际就是人们对光现象、光本质的认识过程,人们对光的认识首先从感知开始的。我国春秋战国时,墨翟(公元前408-376年)及弟子所著的《墨经》中,就记载着有关光的直线传播和光在镜布反射等现象。如《墨经》的梁本第二十条,经云“景倒,在午有端。”经云:“景,光之人,煦若射;下者之人也高,高者之人也下。足蔽下光,故成景于上,首蔽上光,故成景于下。”这段文字是以描写一个针孔成像实验来说明光的直线 进行。按现代汉语来说:“光向人照去,好象箭射一样;从下面照到高处去了,从高处照去的到下面去了。足遮住了下面的光线所以成影在上面,头遮住了上面的光所以成影在下面O”“午”,是一纵一横相交之点,可作针孔照相匣上的小孔讲,“两端”,就是光线经小孔所成的光束。这里毫无主观臆测,完全是由观察得到的结果,将这个现象上升到理论认识,就是说光是沿直线传播的。这个记载,比起欧几里德(公元前336-275年)所著的《光学》一书中记录的,要早一百多年,可以算得上是世界上对光学 知识的最早记录。 公元1100年,阿拉伯人阿尔一海兹恩(Al一hazen)发明了人类历史上第一个透镜,公元1590年琼森(Jonsen)和李普塞(Lippershey)发明第一架望远镜和十七世纪冯特(Fontana)发明第一架显微镜[1]。有了望远镜、显微镜,拓宽了人体功能,对于科学的发展起到了促进作用。人们对光学现象有了更深一步的认识。当然,这段过程是一个相当缓慢的历史过程。人们通过对光的直线传播、反射和折射现象进行观察、实验,归纳出反射定律和折射定律,同时,在生产和生活需要的推动下,光的反射和透射也开始应用,并取得了成就。如这正体现出认识论中理论和实践的辩证关系,这种关系在以后光学发展中无时不存在着。 三.任何事物都在发现矛盾和解决矛盾中发展的 从十七世纪初,人们发现了有与光的直线传播不相符的事实,这就提出了光究竟是什么,即光的本性问题。这个事实首先由意大利人格里马第(F·M·Grimaldi, 1618--1663)观察到的,他发现在点光源的情况下,一根直竿投出的影子要比假定光以直线传播所应有的宽度稍大一些,这就是说,光不是严格按直线传播,而会绕过障碍物前进,即以后说的光衍射现象,这个现象的发现,实际就是光的波动理论的萌芽。到十七世纪上半叶,光的任何性质弄清了,但对于视觉中的两个基本特征——亮度和颜色的观念还很模糊。这一类问题的提出, 促使人们加紧对光的研究。十七世纪下半叶,牛顿和惠更斯等把光的研究引向进一步发展的道路。1672年牛顿进行了白光实验,发现白光通过棱镜时,会在光屏上形成按一定次序排列的彩色光带——光谱。于是他认为白光是由各种色光复合而砀,各色光在玻璃中受到不同程度的折射而被分散成许多组成部分。反之,把各种组成部分复合起来会重新得到原来的白光,进一步实验表明,这些色光不能再分解。通过实验,使这对颜解释摆脱了主观视觉的印象(唯心主义),而上升到客观度量的科学高度(唯物主义)。此外,牛顿通过实验,还发现了一个惊人现象:把曲率半径很大(几米)的凸透镜放在平玻璃上,当用白光照射它时,则看到在透镜和玻璃板接触点处出现一组彩色的同心圆环。当用单色光照射时,所见接触处出现一组明暗相同的同心圆环——牛顿环,且不同的单色光对应的第一个黑环所在处的透镜和玻璃问的空气厚度不同。在牛顿发现这些重要现象时,根据光的直线传播,牛顿认为光是一种微粒流,微粒从光源飞来,在均匀物质中以力学定律作直线运动,并容易解释光的反射,但解释牛顿环时,却遇到了困难,同时这种假说也难以说明光线过障碍物之后所发生的衔射现象。关于光的微粒说和波动说的斗争,在逐渐形成,这种斗争在以后的过程中,一方面各自发展,另一方面时刻在剧烈斗争,一时这占上风,一时另一个占上风。由于牛顿当时已在物理学界中声望较高,而且他的微粒学说能解释光的许多现象,因此,有许多支持者,这时,微粒说占优势。 惠更斯根据声和光某些性质的相似,他认为光不是微粒构成的,而是在“以太”中传播的波。所谓“以太”,则是一种假想的弹性媒质,充满整个宇宙空间,光的传播取决于“以太”的弹性和密度。在1690年《论光》中,惠更斯创立波动说,认为“光同声一样,是以球形波面传播的,这种波同把石子投在平静的水面上所看到的波相似”。运用他的波动理论中的次波原理,惠更斯不仅成功地解释了反射和折射定律,还解释了方解石的双折射现象,但是,惠更斯没有把波动过程的特性给予足够的说明,没有指出光的周斯性。他没有注意到 牛顿环,而牛顿本人却认为这是光的周期性的表现。在这一时期,在以牛顿为代表的微粒说占统治地位的同时,惠更斯的波动说提出来了,可以说,这个时期是几何光学向波动光学过渡的时期,是人们对光的认识逐渐深化的时期[2]。 十八世纪,光的微粒说占优势,但波动理论却从没有停止对微粒说理论的斗争。十九世纪,波动学体系逐渐形成。杨氏(Yong)和菲涅耳(Fresnel)作了很大贡献。杨氏圆满地解释了“薄膜的颜色”的现象和用双狭缝实验显示了光的干涉现象,第一次测得光波的波长。1815年,菲涅耳用干涉原理补充了惠更斯原理,形成了惠更斯一菲涅耳原理,动用这个在的理圆满解释了光在均匀的各向同性的介质中的直线传播。而且还解释了光通过障碍物时所产生的衍射现象,成为波动光学中的重要原理。在实验中人们又观察到了光的偏振和偏振光的干涉,为了解释这些现象,菲涅耳假定光是横波。看来已相当圆满了。但菲涅耳认为光振动是一种连续介质——以太的机械弹性振动,而机械的弹性横波只能产生于固体之中,所以不得不把弹性固体的特性强加于以太。弹性横波在无限大的固体中的传播速度V同固体的切变模量N和密度p有下列关系:V=N/p。因为以太不妨碍各种物体的运动,所以p.非常小,同时为说明光的巨大的传播速度,又必须以N相当大的数值,为了解释光在各种不同介质中的不同速度,又必须认为以太的特性在不同的特质是不同的;在各向异性的介质中还需要有更复杂的假设。此外,还必须给以太更特殊的性质,才能解释光波中没有纵振动的现象。这种密度无限小,切变模量远大于钢,并还要附加许多性质的以太是难以想象的。于是,暴露了光的弹性理论的许多重大困难。产生这种困难是由于弹性理论既没有指出光学现象和其他物理现象间的任何联系,也没能把表征介质性质的光学常数和介质的其他参数联系起来。在1846年法拉弟(Faraday)发现了光的振动面在磁场中发生旋转,这表明光学现象与磁学现象问存在内在的联系。1856年,韦伯(Weber)发现,光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值为3×108m/s,这表明光学现象与电学现象有一定的关系。从这些发现中,人们得到启示,即必须把光学现象和其他物理现象联系起来考虑,而不能孤立地研究光的本性。 事物矛盾是普遍联系的,如单纯考虑一方面,则不能完整地认识一个事物。从这点出发,麦克斯韦(C·Maxwell)1860年指出,电场和磁场的改变不会局限在空间的某一部分,而是以数值等于电荷的电磁单位与静电单位的比值速度传播,即电磁波以光速传播,说明光是一种电磁现象。这个理论被赫兹(H·R·Hertz, 1857--1894)在1888年证实,因此,也就确定了光的电磁理论基础。这对认识光的本性方面,较之弹性固体理论前进了一大步。但麦克斯韦的理论还需要以太,只不过以电磁的以太代表了机械的以太。 由于发现了折射率随光波波长而改变的色散现象,根据当时物质结构的观念,可以从电子的运动过程更深入地研究和光相互作用的过程。洛仑兹正是从这点出发,在1896年创立了电子论,认为在外力作用下,电子作阻尼振动而产生光的辐射。当光通过介质,介质中的电子的固有频率和外场的频率相同时,则束缚的 电子使成,为较显著的吸收体。这样,利用洛仑兹的电子论,不仅可以解释物质发射和吸收光的现象,还解释了光在物质中的传播过程,同时光的色散现象也得到了较好的解释。但是,洛仑兹的电子论在对炽热的黑体中能量按波长分布这样的问题还不能给予令人满意的解释,说明人们在对光本性的认识还有片面性,并且,如果洛仑兹关于以太的概念正确的话,则可将不动的以太选作参照系,以使人们能在区别出绝对运动。事实上,1887年迈克耳孙(A·A·Michelson)用干涉仪测“以太风”却得到否定结论,因此,洛仑兹设想的以太的存在与迈克耳孙实验不符,这表明洛仑兹电子论对光本性的确定是有片面性的。因为实践是检验真理的唯一标准。当然,他的理论与18世纪比起来,更接近于客观真理了,这正是人们反复认识的结果。 20世纪初,从洛仑兹电子论对炽热的黑体的辐射中能量按波长分布不能得到令人满意的解释受到启发,1900年,普朗克(Max·plank)从物质的分子结构理论中借出了不连续性的概念,提出了辐射的量子论,他认为各频率的电磁波,包括光,只能以完全一定的份量的能量自振子射出,这种能量微粒叫量子,光量子称为光子。这样,量子论很自然地解释灼热物体辐射能量按波长分布的问题,而且还给整个物理学提供了新的概念,近代物理学开端了。这时,光的微粒性又提到了首位。1905年9月,爱因斯坦提出了狭义相对论的基本原 理,指出:从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学,其应用范围只限于速度远远比光速小的情况[3]。这样,根本抛弃了以太概念。圆满地解释了运动物体的光学现象。从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象都确证了光是电磁波,且又从热辐射、光电效应、光压现象以及光的化学作用都无可怀疑地证明了光的量子性——微粒性。这样,光的波动说和微粒说的矛盾又提出了,我们可以看到,它们又各自统治着自己的领域,这同十七世纪牛顿的微粒说和惠更斯的波动说对峙相似,只不过,随着人们认识的深入,光的电磁波理论和量子论却进入了高级阶段,这正反映了认识的结果。 事物是相互联系的[5]。对于光的本性问题,是否能找到一个把两种理论联系起来的理论呢?1924年,德布罗意(L·V·deBroglie)创立了物质波学说,他大胆设想物质的粒子都和一定的波相联系。事实上,这一假设在19叨年戴维孙和革末的电子衍射证实了这点。这样,光不仅具有波动性还具有微粒性,即波粒二象性。实际上,这也是微观物质所共有的属性。这样,对光的本性的认识就更完美了。但要将光的两个完全不同的概念联系起来,好象是不可能的,然而,解释这个困难却来自意想不到的方面。原来人们对光本性的两种概念的认识都是根据对宏观的客观现象的观察得到的,而人们想统一这两种概念时又仅限于们所能“想象”的和所能“了解”的。但是,为了如实地反映客观世界,应当用广泛的、活的、正如客观实事那样的,辩证的物质概念来代替形而上学的、机械的物质学说。从这一观点看,光学发展的结果所揭露的,在光学现象中波动性与量子性之间的“不可克服的”矛盾就是自然辩证法的一种表现:真实的矛盾统一。对于宏观世界中连续的波动和不连续的量子,在经典物理学中的简化的、机械概念中,是互相排斥的,而在客观实际的自然现象中,它们却是统一的、共处的。人们不习惯这种统一,只不过证明宏观的经典机械图象有片面性和缺欠。客观世界的物质比起形而上学的形象来要复杂得多,而且没有止境。 四.对事物的本质认识是永无止境的 虽然人们对光本质的认识取得了很大的成就,但是还有待深入,并且光学还一直在发展,在认识过程中人们还受到客观事物的发展和本质暴露的程度的限制,受到科学技术条件的限制,受到人的实践范围、立场、观点、方法和知识水平的限制,所以对光学的探索也是无止境的。由于客观世界是无限的、时间是无限的,因此认识也是无限的。正如毛泽东同志所说:“实践,认识,再实践,再认识,这种形式,循环往复以至无穷,而实践和认识之每一循环的内容,都比较地进行到高一级程度。”所以,我们相信,光学还会有更大的发展。 “光本性”这一问题激起了科学界几百年的大讨论,通过对光本性的探究,科学家们还研究出了量子理论,通过对“光本性”这一哲学问题的研究我认识到:光学作为物理学的一个分支,它也符合人们对物理现象的认识的规律,即在观察和实验的基础上,对物理现象进行分析,进而提出假说,形成理论。当理论和实践相一致时,就循着这条路走下去,发现新的东西使理论不断完善;当理论和实践相矛盾时,就修正、补充理论,使之与实践尽量相符合,或放弃原来的理论而建立新的理论,并不断反复经受实践的检验[4]。在物理学的发展史上,人们对“光本性”的认识,就是沿着这条曲折的道路前进的。从“光本性”的研究我看到了三个哲学的思想:1.感性认识结合实践得出本质的一般规律;2..任何事物都在发现矛盾和解决矛盾中发展的;3.对事物的本质认识是永无止境的。 《自然辩证法》课程论文《光学发展中的哲学思想》田济铭201521050303 参考文献 [1].马文蔚《物理学史上的里程碑》[M].江苏科技出版社 1992.01. 67页 [2].美乔治.伽莫夫《物理学发展史》[M].商务印书馆 1981.07. 106-108页 [3].苏斯捷潘诺夫《光学300年》[M].科学普及出版社 1981.04.213页 [4].国家教委政治思想教育司组编《自然辩证法概论》[M].高等教育出版社1989.11. 43页 [5].张克群《自然辩证法基础》[M].河南大学出版社 1989.05.156页