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仰望星空与物理学之四

January 7, 2018 • Read: 193 • 杂谈

其实在此之前,牛顿还在微粒说和波动说之间摇摆不定,即使在胡克作出批评之后,牛顿也还为波动说提出了一些非常重要的改进意见。但在这之后,他们的关系进一步恶化,牛顿开始一边倒地支持微粒说。这究竟是出于报复还是科学精神我们也无法得知了。至少我们知道牛顿是出了名的小气和斤斤计较。

在牛顿准备对波动说的“原子弹”时,荷兰的惠更斯,丹麦的巴塞林纳斯分别得到了光的反射、折射定律和双折射现象。1657年“牛顿坏”的提出被惠更斯利用到自己的理论中,他于1690年出版的《光论》标志着波动说的顶峰。

然而来自牛顿的最终审判终于来临。在胡克死后,牛顿终于如愿成为了皇家学会会长并于胡克死后的次年出版了他的巨著《光学》(从他之后的言语来看他很可能是故意的)。

但不得不说,《光学》是一部划时代的作品,是几乎可以与《原理》并列的伟大杰作,在之后的整整100年内都被奉为金科玉律。牛顿在其中详细的阐述了光的色彩叠合与分散,从粒子的角度解释了薄膜透光、牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象。他驳斥了波动理论,质疑说如果光和声音同样是波,那光为何无法像声音那样“绕开障碍物前进”。他也对双折射现象进行了研究,提出了许多用波动理论无法解释的问题。而牛顿又将波的一些有用概念如振动,周期等引入微粒说,从而解答了牛顿环的难题。另一方面,牛顿把微粒说和他的力学体系结合在一起,使得这个理论顿时显现出无与伦比的力量。

这次是微粒说的完全胜利,并且牛顿已经成为了光学界的泰斗,他的理论是不容置疑的。但波动说并没有就此消逝,惠更斯等人做出的开创性的努力没有白费,它正重整旗鼓。

在讲波动说的反击之前,我们必须先提另一种看似毫不相干的东西——电磁。

古希腊人描述雷电是“宙斯的武器”,当他发怒时就会朝人间扔闪电。

随着科学的进步,科学家意识到电闪雷鸣是可以复制的。十八世纪,当我们终于实现用电流复制闪电时,我们才开始了解这种支配着宇宙万物的第二种基本力——电磁力。

这一切要从一个演讲说起,一个由迈克尔·法拉第在伦敦的圣诞演讲,这个演讲吸引了每一个成年人和小孩。同时,法拉第还示范了电的强大性能。

当我们坐车或是飞机被闪电击中了,为什么我们没有被电击中呢?法拉第用一个实验回答了这个问题。他走进一个金属笼子,然后对这个金属笼子通电,当然,他并没有被电到。这个实验就是法拉第笼,它的原理就是我们熟知的静电屏蔽。

但法拉第是如何给笼子通上电的呢?

在此之前,奥斯特已经发现如果电路中有电流通过,它附近的普通罗盘的磁针就会发生偏移。法拉第从中得到了启发,认为假如磁铁固定,线圈就可能会运动。基于这个设想,他发明了第一台电动机——法拉第圆盘电机。事实上,它并没有想象中的那么难懂,你需要的仅是一个金属圆盘、一块马蹄铁、两根导线,我们都可以在家里组装。而且它发电的方法也不是那么轻松,你需要维持圆盘在磁场内运动,也就是说要不停的摇。它虽然简陋,但使电的应用成为可能,使更大的发电机得以出现。当法拉第表演它时,一位贵夫人问他:“这玩艺有什么用呢?”法拉第非常有礼貌地回答道:“夫人,新生的婴儿又有什么用处呢?”我想就是这个意思。

磁场中不断运动的导线中被磁场力推动的电子将会形成电流。这一发现最终成为一个定律——法拉第电磁感应定侓。

就是这么一个简单的想法,推动了第二次伟大的革命——电气革命,人们由此进入电气时代。这就是为什么如今我们有能使大坝产生巨大能量的水轮发电机,这也是为什么我们有核电站。现在你把你的眼睛移向别处,看看周围,无一不充斥着各式各样的电。有一种自行车灯也用的这个原理。它挂在车轮的挡泥板上,与车轮平行,当车轮转动时也会引起磁场的变化,磁场推动导线中的电子移动产生电流,车灯就亮起来,当你停下,它就熄灭。

那这是否就代表,电和磁是统一于同一个力的?我们曾以为电和磁是分开的,但如今种种现象都表明:是的,它们其实是一样的力。

如果一个运动的磁场能产生电场,那运动的电场是不是也能产生磁场?既然二者可以互换,那么它们是否会共振并产生波动?

所以运动磁场产生电场,运动电场产生磁场,如此循环就会产生波。

美国内战时期有一名叫詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的数学物理学家基于法拉第的结论把这种波的速度给算出来了而被列为整个时期最伟大的突破之一,让我们来看看他的结果:c≈299792458m/s

如果你觉得这个结果看着有点眼熟,那么你想的没错,这种波的速度是光速。所以麦克斯韦自然就预言:光就是电磁波的一种。这就是光。

电磁波的速度和光速一样,这绝非偶然,因为它本身就是光。这个有理有据,看似无懈可击。于是困扰我们千百年的问题解开了,光是电磁波。

电磁波的方程组是由麦克斯韦得到的,有许多人认为是因为法拉第并没有接受过正规的教育,所以没有办法从自己的发现中提取数学公式。这也从侧面告诉我们学习或者学习数学是很重要的,就算你是个天才你也可能因此错过发现更大奥秘的机会。但回看法拉第在化学上的成就,也许偶尔把机会让给别人也无妨。

麦克斯韦写下了振荡电场和磁场的数学物理表达式,后来被称为麦克斯韦方程组

今天,每个大学里的物理系研究生和教授都要记住这个方程,每个在雷达领域和无线电领域工作的工程师都必须记住这些方程。

加州大学伯克利分校有买一种T恤,上面写着:“创世之初,上帝说道:‘一个反对称二阶张量的四维散度等于0。’于是就有了光。”(你可以去圣经里面找原话)

这次似乎又是波动说的完全胜利了。不过学过物理选修3-5的理科生们已经了解到光的波粒二象性以及一系列实验和理论,如双缝干涉实验以及圆盘衍射实验,经典物理学的时代已成过去,伴随着新世纪到来的量子力学的种子开始生根,并迅速生长。

未完待续...

作者:红壳荔枝

最后编辑于: October 7, 2018
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