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仰望星空与物理学之三

January 6, 2018 • Read: 188 • 杂谈

当你仰望星空时,你可能回想到这些科学知识:“我们现在看到的星光也许是几十万年前发出来的,只是现在才传过来而已。”“月亮不会发光,它反射了太阳的光。”可是光是什么?它为什么是这个样子的?

虽然光的本质模糊不清,但关于光的一些性质,人们很早就开始研究了。欧几里得在《反射光学》里就研究了光反射问题。托勒密、哈桑和开普勒都对光的折射做了研究,而荷兰科学家斯涅耳更是在他们的工作基础上于1621年总结出了光的折射定律。最后,光的种种性质终于被有“业余数学之王”之称的费马归结为一个简单的法则:光总是走最短的路线。光学也作为一门物理学科被正式确立起来。

“光本质上到底是什么?”没有人会想到,对于这个问题的探究会那样持久,而这一探索过程对物理学的影响竟会是那么深远和重大。

古希腊时代的人总是倾向于把光看成一种非常细小的粒子流,既光是由一粒粒非常小的“光原子”构成的。我们称之为“微粒说”。

微粒说似乎很好地解释了为什么光沿直线传播、为什么遵循严格而经典的反射等,但它也有显而易见的漏洞:为什么两束光相互碰撞时不会弹开?为什么光粒子在点火之前不出现?它们有多少个?

黑暗的中世纪过后,人们对自然界有了进一步认识。波动现象被深入地了解和研究,声音是一种波动的认识也进一步深入人心。所以就有人怀疑:为什么光不能是一种波呢?

17世纪初,笛卡尔在《方法论》的三个附录之一《折光学》(《屈光学》)中率先提出了这样一种可能:光是一种压力,在媒介中传播。不久后,意大利数学教授格里马第做了一个实验,他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上,发现在投影边缘有一种明暗条纹的图像马上联想起了水波的衍射,于是格里马第提出:光可能是一种类似水波的波动,这就是最早的光波动说。

波动说认为,光不是一种物质粒子,而是因介质震动而产生的一种波动。可以试想一下池塘里的水波,水也许并没有流动,但水波确实在向远处扩散,因为它不是一种实际的传递,而是沿途的水面上下振动的结果。波动说很好地解释了投影里的暗纹,也容易解释光束互相穿过而互不干扰。但波动说有个基本的漏洞:波必须在介质中才能传递,像声音不能在真空中传播因为真空中没有传播它的介质。可光好像不需要任何介质就能传播——遥远的星光可以穿过几乎是真空的太空来到地球。所以波动说假设了一种不可见但存在的介质来传播光——以太。

以太,这个既熟悉又陌生的概念最初是由亚里士多德提出的。他在《论天》中认为天上的事物应该是完美的,组成它的元素不同于地上的四大元素水、火、气、土,它只能由一种更为纯洁的元素所构成,这就是亚里士多德的第五元素以太。但在科学界,以太最初就是以光传播的介质的假设而提出的。

就这样,双方的阵营都已就位,一场长达数世纪的战争正在酝酿。

起初,双方并没有发生武装冲突。笛卡尔在《方法论》还将它们不偏不倚地一并列出供大家参考。第一次波粒战争的导火索是波义耳在1633年提出的一个理论:我们看到的颜色并不是物体本身的属性,而是光照射上去才产生的效果。这虽然并没有关系到两种学说,却引起了人们对颜色属性的激烈争论.

波义耳的助手,英国皇家学会会员,同时兼任实验室管理员的罗伯特·胡克重复了格里马第的实验,并仔细观察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及通过薄云母片产生的光辉。他认为光必定是某种快速脉冲。于是他于1665年出版的《显微术》中明确支持波动说。《显微术》本身也是一部伟大的著作,它既为胡克赢得了世界性的学术声誉,也使波动说一时占了上风。这是波动说的第一击。

然而一个小插曲却改变了整个战局。

1672年初,一个年轻人因制造了一台杰出的望远镜而当选为皇家学会的会员。这就是前文中提到的牛顿。当时的牛顿29岁,年轻气盛,并且准备在光学和仪器方面大展身手。

2月8日,牛顿就他所做的光的色散实验所写的一封给学会秘书长奥尔登博格的信在皇家学会被宣读。光的色散实验想必大家都已在初中了解过。凭借这个实验,牛顿得出了白色光是由七彩光混合而成的的结论。

然而在牛顿的理论里,光的复合和分解被比喻成不同颜色微粒的混合和分开。于是胡克作为评议员的成员之一对此观点进行了激烈的抨击。因为之前的成就而有些膨胀的牛顿大概受不了这种直截了当的批评,于是他花了整整4个月的时间写了一篇针对胡克的长文,《决不停止》中这样描述:“(牛顿)实际上用胡克的名字串起了一首叠句诗。”

就这样,胡克大言不惭在前,牛顿恶语相讥在后,两人都格外敏感且心胸狭窄,最终不可避免地成为毕生死敌。

未完待续...

作者:红壳荔枝

最后编辑于: October 7, 2018
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