文 | 火山
在微粒与波动的第一次交锋中,以牛顿为首的微粒说战胜了波动说,取得了第一次波粒战争的胜利。在此后的近100年时间,人们普遍认为光是一种粒子。
挑战者
到了1807年,挑战者出现了,他就是托马斯·杨。在他的著作《自然哲学讲义》中,第一次描述了那个名扬四海的实验:光的双缝干涉。这个简单巧妙的试验所揭示出的现象证据确凿,让微粒大军无法说明:两道光叠加在一起,怎么反而会造成黑暗?
后来的历史证明,这个实验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个实验之列,而在今天,它更是理所当然的出现在每一本中学物理的教科书上。
杨的著作点燃了革命的导火索,物理史上的“第二次波粒战争”开始了。
逆转战局
1819年,一个不知名的法国年轻工程师菲涅尔,提交了一篇论文,在这篇论文里菲涅尔采用了光是一种波动的观点,并以严密的数学推理,极为圆满的解释了光的衍射问题。当把这个理论应用于圆盘衍射的时候,在阴影中间将会出现一个亮斑,这就是著名的泊松亮斑。(按照常理,阴影中间是不会出现亮斑的。)
“泊松亮斑”成了波动军手中威力不下于干涉条纹的重武器,给了微粒势力以致命的一击。后来菲涅尔又革命性的假设,光是一种横波(类似水波),而不像胡克以来所一直认为的那样,是一种纵波(类似弹簧),从而成功的解释了光的偏振现象。
菲涅耳理论的这个胜利,成了第二次波粒战争的决定性事件,他获得了那一届的科学奖,同时一跃成为了可以和牛顿,惠更斯比肩的光学界的传奇人物。
到了19世纪中期,微粒说挽回战局的唯一希望就是光速在水中的测定结果了,因为根据微粒论,这个速度应该比真空中的光速要快,而根据波动论,这个速度则应该比真空中要慢才对。
在1850年5月6日,傅科向法国科学院提交了他关于光速测量实验的报告。在准确的得出光在真空中的速度之后,他也进行了水中光速的测量,发现这个值小于真空中的速度,只有前者的3/4,这一结果彻底宣判了微粒说的死刑,波动论终于在一百多年后革命成功,推翻了粒子王朝,登上了物理学统治地位的宝座。
第二次波粒战争,随着微粒的战败而尘埃落定。
不过菲涅尔的横波理论却留给波动一个尖锐的难题,就是“以太”问题。波动对此的解释是以太是一种刚性的粒子,但是它却是如此稀薄,以致物质在穿过它们时,几乎完全不受到任何阻力,“就像风穿过一小片丛林”(托马斯杨语)
奠定胜局
尽管波动对于以太的解释十分牵强,但更伟大的胜利很快就到来了。伟大的麦克斯韦于1856,1861和1865年发表了三篇关于电磁理论的论文。麦克斯韦的理论预言,光其实只是电磁波的一种。这段文字是他在1861年的第二篇论文《论物理力线》里面,特地用斜体字写下的。
1887年,在美丽的德国小城卡尔斯鲁厄,30岁的赫兹正在进行一个伟大的实验,这个实验将证明光是一种电磁波。
实验装置由电火花发生器和接收器两大部分组成。按照麦克斯韦的理论,每当发生器火花放电的时候,在发生器的两个铜球之间就会产生一个振荡的电场,同时引发一个向外传播的电磁波。电磁波如果存在,那么它就会飞越空间,到达接收器,在那里产生一个震荡的电动势,从而在接收器的两个铜球之间,也同样激发出电火花来。而且整个接收器是一个隔离的系统,既没有连接电池,也没有任何的能量来源。
赫兹的实验证明了电磁波真真实实的存在于空间之中,而且电磁波的前进速度恰好等于30万公里/秒,也就是光速。这也证实了光是电磁波的一种。
原来电磁波一点都不神秘,我们平时见到的光就是电磁波的一种,只不过普通光的频率正好落在某一个范围内,而能够为我们的眼睛所感觉到罢了。
根据赫兹关于电磁波的论文,后人发明了无线电通信,把整个人类带进了一个崭新的信息时代。
根据麦克斯韦理论,波动说突然发现,他已经不仅仅是光领域的统治者,而且业已成为了整个电磁王国的最高司令官,波动的光辉到达了顶点,只要站在大地上,他的力量就像古希腊神话中的巨人那样,是无穷无尽而不可战胜的。
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