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關(guān)于光的本質(zhì)-即光是微粒還是波，在歷史上發(fā)生了曠日持久的大戰(zhàn)，經(jīng)過(guò)數(shù)次較量，最后握手言和，塵埃落定，他們昔日各自的輝煌也成了人們飯后茶余的歷史佳話。如所周知，這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)的最終結(jié)論是：光即不單是微粒，也不單是波，光具有波-粒二象性，它既具有粒子性又具有波動(dòng)性。這一既辯證又中庸的結(jié)論，今天已經(jīng)得到了舉世公認(rèn)，似乎沒(méi)有波-粒兩大陣營(yíng)之分了，沒(méi)有人再宣稱(chēng)自己是波動(dòng)派還是粒子派。然而，“戰(zhàn)后”的物理學(xué)家們?nèi)匀槐Ａ糁?粒兩分的傾向性卻是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，這主要是因?yàn)槲锢韺W(xué)并沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)光的波-粒統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)，特別是相對(duì)論和量子力學(xué)至今沒(méi)有融合統(tǒng)一。這場(chǎng)戰(zhàn)事還要繼續(xù)下去，所不同的是不再是派別之爭(zhēng)，而是各自發(fā)揮優(yōu)勢(shì)特長(zhǎng)，以求得波-粒統(tǒng)一和物理學(xué)的大一統(tǒng)。

                                                            原始的統(tǒng)一：粒子說(shuō)

        光，是每個(gè)人見(jiàn)得最多的東西(“見(jiàn)得最多”在這里用得真是一點(diǎn)也不錯(cuò))。自古以來(lái)，它就被理所當(dāng)然地認(rèn)為是這個(gè)宇宙最原始的事物之一。在遠(yuǎn)古的神話中，往往是“一道亮光”劈開(kāi)了混沌和黑暗，于是世界開(kāi)始了運(yùn)轉(zhuǎn)。光在人們的心目中，永遠(yuǎn)代表著生命，活力和希望。在《圣經(jīng)》里，神要?jiǎng)?chuàng)造世界，首先要?jiǎng)?chuàng)造的就是光，可見(jiàn)它在這個(gè)宇宙中所占的獨(dú)一無(wú)二的地位。
　      可是，光究竟是一種什么東西？或者，它究竟是不是一種“東西”呢？
　      遠(yuǎn)古時(shí)候的人們似乎是不把光作為一種實(shí)在的事物的，光亮與黑暗，在他們看來(lái)只是一種環(huán)境的不同罷了。只有到了古希臘，科學(xué)家們才開(kāi)始好好地注意起光的問(wèn)題來(lái)。有一樣事情是肯定的：我們之所以能夠看見(jiàn)東西，那是因?yàn)楣庠谄渲凶饔玫慕Y(jié)果。人們于是猜想，光是一種從我們的眼睛里發(fā)射出去的東西，當(dāng)它到達(dá)某樣事物的時(shí)候，這樣事物就被我們所“看見(jiàn)”了。比如恩培多克勒(Empedocles)就認(rèn)為世界是由水、火、氣、土四大元素組成的，而人的眼睛是女神阿芙羅狄忒(Aphrodite)用火點(diǎn)燃的，當(dāng)火元素(也就是光。古時(shí)候往往光、火不分)從人的眼睛里噴出到達(dá)物體時(shí)，我們就得以看見(jiàn)事物。
　      但顯而易見(jiàn)，這種解釋是不夠的。它可以說(shuō)明為什么我們睜著眼可以看見(jiàn)，而閉上眼睛就不行；但它解釋不了為什么在暗的地方，我們即使睜著眼睛也看不見(jiàn)東西。為了解決這個(gè)困難，人們引進(jìn)了復(fù)雜得多的假設(shè)。比如認(rèn)為有三種不同的光，分別來(lái)源于眼睛，被看到的物體和光源，而視覺(jué)是三者綜合作用的結(jié)果。
　      這種假設(shè)無(wú)疑是太復(fù)雜了。到了羅馬時(shí)代，偉大的學(xué)者盧克萊修(Lucretius)在其不朽著作《物性論》中提出，光是從光源直接到達(dá)人的眼睛的，但是他的觀點(diǎn)卻始終不為人們所接受。對(duì)光成像的正確認(rèn)識(shí)直到公元1000年左右才被一個(gè)波斯的科學(xué)家阿爾*哈桑(al-Haytham)所提出：原來(lái)我們之所以能夠看到物體，只是由于光從物體上反射到我們眼睛里的結(jié)果。他提出了許多證據(jù)來(lái)證明這一點(diǎn)，其中最有力的就是小孔成像的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)我們親眼看到光通過(guò)小孔后成了一個(gè)倒立的像，我們就無(wú)可懷疑這一說(shuō)法的正確性了。
　      關(guān)于光的一些性質(zhì)，人們也很早就開(kāi)始研究了。古希臘時(shí)代的人們總是傾向于把光看成是一種非常細(xì)小的粒子流，換句話說(shuō)光是由一粒粒非常小的“光原子”所組成的。這種觀點(diǎn)一方面十分符合當(dāng)時(shí)流行的元素說(shuō)，另外一方面，當(dāng)時(shí)的人們除了粒子之外對(duì)別的物質(zhì)形式也了解得不是太多。這種理論，我們把它稱(chēng)之為光的“微粒說(shuō)”。微粒說(shuō)從直觀上看來(lái)是很有道理的，首先它就可以很好地解釋為什么光總是沿著直線前進(jìn)，為什么會(huì)嚴(yán)格而經(jīng)典地反射，甚至折射現(xiàn)象也可以由粒子流在不同介質(zhì)里的速度變化而得到解釋?；诠饪偸亲咧本€的假定，歐幾里德(Euclid)在《反射光學(xué)》(Catoptrica)一書(shū)里面就研究了光的反射問(wèn)題。托勒密(Ptolemy)、哈桑和開(kāi)普勒(Johannes Kepler)都對(duì)光的折射作了研究，而荷蘭物理學(xué)家斯涅耳(W.Snell)則在他們的工作基礎(chǔ)上于1621年總結(jié)出了光的折射定律。最后，光的種種性質(zhì)終于被有“業(yè)余數(shù)學(xué)之王”之稱(chēng)的費(fèi)爾馬(Pierre de Fermat)所歸結(jié)為一個(gè)簡(jiǎn)單的法則，那就是“光總是走最短的路線”。幾何光學(xué)終于作為一門(mén)物理學(xué)科被正式確立起來(lái)。
        幾何光學(xué)的思想基礎(chǔ)就是光的“微?！睂W(xué)說(shuō)。在此前時(shí)期，“微粒”學(xué)說(shuō)平靜得漫步在物理學(xué)原始的曠野。

                                                             “波動(dòng)說(shuō)”的誕生

       粒子說(shuō)也有一些顯而易見(jiàn)的困難：比如人們當(dāng)時(shí)很難說(shuō)清為什么兩道光束相互碰撞的時(shí)候不會(huì)互相彈開(kāi)，人們也無(wú)法得知，這些細(xì)小的光粒子在點(diǎn)上燈火之前是隱藏在何處的，它們的數(shù)量是不是可以無(wú)限多，等等。
　    當(dāng)黑暗的中世紀(jì)過(guò)去之后，人們對(duì)自然世界有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。波動(dòng)現(xiàn)象被深入地了解和研究，聲音是一種波動(dòng)的認(rèn)識(shí)也逐漸為人們所接受。人們開(kāi)始懷疑：既然聲音是一種波，為什么光不能夠也是波呢？十七世紀(jì)初，笛卡兒(Des Cartes)在他《方法論》的三個(gè)附錄之一《折光學(xué)》中率先提出了這樣的可能：光是一種壓力，在媒質(zhì)里傳播。不久后，意大利的一位數(shù)學(xué)教授格里馬第(Francesco Maria Grimaldi)做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他讓一束光穿過(guò)兩個(gè)小孔后照到暗室里的屏幕上，發(fā)現(xiàn)在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格里馬第馬上聯(lián)想起了水波的衍射，于是提出：光可能是一種類(lèi)似水波的波動(dòng)，這就是最早的光波動(dòng)說(shuō) 。
        波動(dòng)說(shuō)認(rèn)為，光不是一種物質(zhì)粒子，而是由于介質(zhì)的振動(dòng)而產(chǎn)生的一種波。我們想象一下水波，它不是一種實(shí)際的傳遞，而是沿途的水面上下振動(dòng)的結(jié)果。光的波動(dòng)說(shuō)容易解釋投影里的明暗條紋，也容易解釋光束可以互相穿過(guò)互不干擾。關(guān)于直線傳播和反射的問(wèn)題，人們很快就認(rèn)識(shí)到光的波長(zhǎng)是很短的，在大多數(shù)情況下，光的行為就猶同經(jīng)典粒子一樣。而衍射實(shí)驗(yàn)則更加證明了這一點(diǎn)。但是波動(dòng)說(shuō)有一個(gè)基本的難題，那就是任何波動(dòng)都需要有介質(zhì)才能夠傳遞，比如聲音，在真空里就無(wú)法傳播。而光則不然，它似乎不需要任何媒介就可以任意地前進(jìn)。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，星光可以穿過(guò)幾乎虛無(wú)一物的太空來(lái)到地球，這對(duì)波動(dòng)說(shuō)顯然是非常不利的。但是波動(dòng)說(shuō)巧妙地?cái)[脫了這個(gè)難題：它假設(shè)了一種看不見(jiàn)摸不著的介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)光的傳播，這種介質(zhì)有一個(gè)十分響亮而讓人印象深刻的名字，叫做“以太”(Aether)。
　    就在這樣一種奇妙的氣氛中，光的波動(dòng)說(shuō)登上了歷史舞臺(tái)。

                                                               第一次波-粒之戰(zhàn)

        導(dǎo)致“第一次波-粒戰(zhàn)爭(zhēng)”爆發(fā)的導(dǎo)火索是波義耳在1663年提出的一個(gè)理論。他認(rèn)為我們看到的各種顏色，其實(shí)并不是物體本身的屬性，而是光照上去才產(chǎn)生的效果。這個(gè)論調(diào)本身并沒(méi)有關(guān)系到微粒波動(dòng)什么事，但是卻引起了對(duì)顏色屬性的激烈爭(zhēng)論。
　    在格里馬第的眼里，顏色的不同，是因?yàn)楣獠l率的不同而引起的。他的實(shí)驗(yàn)引起了胡克(Robert Hooke)的興趣。胡克本來(lái)是波義耳的實(shí)驗(yàn)助手，他重復(fù)了格里馬第的工作，并仔細(xì)觀察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通過(guò)薄云母片而產(chǎn)生的光輝。根據(jù)他的判斷，光必定是某種快速的脈沖，于是他在1665年出版的《顯微術(shù)》(Micrographia)一書(shū)中明確地支持波動(dòng)說(shuō)。
        1672年，艾薩克*牛頓向皇家學(xué)會(huì)評(píng)議委員會(huì)遞交了一篇論文，名字叫做《關(guān)于光與色的新理論》。其內(nèi)容是關(guān)于他所做的光的色散實(shí)驗(yàn)的，這也是牛頓所做的最為有名的實(shí)驗(yàn)之一。實(shí)驗(yàn)室里一片漆黑，只有一束亮光從一個(gè)特意留出的小孔里面射進(jìn)來(lái)，每當(dāng)三棱鏡被插進(jìn)去的時(shí)候，原來(lái)的那束白光就不見(jiàn)了，而在屋里的墻上，映射出了一條長(zhǎng)長(zhǎng)的彩色寬帶：顏色從紅一直到紫。牛頓憑借這個(gè)實(shí)驗(yàn)，得出了白色光是由七彩光混合而成的結(jié)論。把光的復(fù)合和分解比喻成不同顏色微粒的混合和分開(kāi)。胡克和波義耳正是當(dāng)時(shí)評(píng)議會(huì)的成員，他們對(duì)此觀點(diǎn)進(jìn)行了激烈的抨擊。胡克聲稱(chēng)，牛頓論文中正確的部分(也就是色彩的復(fù)合)是竊取了他1665年的思想，而牛頓“原創(chuàng)”的微粒說(shuō)則不值一提。
　    但是，一方面因?yàn)楹说拿麣?，另一方面也因?yàn)榕ｎD的注意力更多地轉(zhuǎn)移到了運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)方面，牛頓暫時(shí)仍然沒(méi)有正式地全面論證微粒說(shuō)(只是在幾篇論文中反駁了胡克)。而這時(shí)候，波動(dòng)方面荷蘭物理學(xué)家惠更斯(Christiaan Huygens)成為了波動(dòng)說(shuō)的主將。
　    惠更斯在數(shù)學(xué)理論方面是具有十分高的天才的，他繼承了胡克的思想，認(rèn)為光是一種在以太里傳播的縱波，并引入了“波前”的概念，成功地證明和推導(dǎo)了光的反射和折射定律。他的波動(dòng)理論雖然還十分粗略，但是所取得的成功卻是杰出的。當(dāng)時(shí)隨著光學(xué)研究的不斷深入，新的戰(zhàn)場(chǎng)不斷被開(kāi)辟：1665年，牛頓在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)如果讓光通過(guò)一塊大曲率凸透鏡照射到光學(xué)平玻璃板上，會(huì)看見(jiàn)在透鏡與玻璃平板接觸處出現(xiàn)一組彩色的同心環(huán)條紋，也就是著名的“牛頓環(huán)”。到了1669年，丹麥的巴塞林那斯(E.Bartholinus)發(fā)現(xiàn)當(dāng)光在通過(guò)方解石晶體時(shí)，會(huì)出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。惠更斯將他的理論應(yīng)用于這些新發(fā)現(xiàn)上面，只需要作了小小的改制(比如引進(jìn)橢圓波的概念)。1690年，惠更斯的著作《光論》出版，標(biāo)志著波動(dòng)說(shuō)在這個(gè)階段到達(dá)了一個(gè)興盛的頂點(diǎn)。
        胡克去世后的第二年，也就是1704年，牛頓出版了他的煌煌巨著《光學(xué)》。在這本劃時(shí)代的作品中，牛頓詳盡地闡述了光的色彩疊合與分散，從粒子的角度解釋了薄膜透光，牛頓環(huán)以及衍射實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的種種現(xiàn)象。他駁斥了波動(dòng)理論，質(zhì)疑如果光如同聲波一樣，為什么無(wú)法繞開(kāi)障礙物前進(jìn)。他也對(duì)雙折射現(xiàn)象進(jìn)行了研究，提出了許多用波動(dòng)理論無(wú)法解釋的問(wèn)題。而粒子方面的基本困難，牛頓則以他的天才加以解決。他從波動(dòng)對(duì)手那里吸收了許多東西，比如將波的一些有用的概念如振動(dòng)，周期等引入微粒論，從而很好地解答了牛頓環(huán)的難題。在另一方面，牛頓把粒子說(shuō)和他的力學(xué)體系結(jié)合在了一起，于是使得這個(gè)理論頓時(shí)呈現(xiàn)出無(wú)與倫比的力量。
       牛頓作為光學(xué)界的泰斗，他的才華和權(quán)威是不容質(zhì)疑的，第一次波-粒戰(zhàn)爭(zhēng)就以波動(dòng)的慘敗而告終。

                                                              第二次波-粒之戰(zhàn)
       一個(gè)世紀(jì)過(guò)去了，牛頓體系的地位已經(jīng)是如此地崇高，令人不禁有一種目眩的感覺(jué)。而他所提倡的光是一種粒子的觀念也已經(jīng)是如此地深入人心，以致人們幾乎都忘了當(dāng)年它那對(duì)手的存在。
　    1773年托馬斯*楊誕生，19歲的時(shí)候，受到他那當(dāng)醫(yī)生的叔父的影響，決定去倫敦學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)。楊研究了人體上眼睛的構(gòu)造，開(kāi)始接觸到了光學(xué)上的一些基本問(wèn)題，并最終形成了他的光是波動(dòng)的想法。楊的這個(gè)認(rèn)識(shí)，是來(lái)源于波動(dòng)中所謂的“干涉”現(xiàn)象。
　    我們都知道，普通的物質(zhì)是具有累加性的，一滴水加上一滴水一定是兩滴水，而不會(huì)一起消失。但是波動(dòng)就不同了，一列普通的波，它有著波的高峰和波的谷底，如果兩列波相遇，當(dāng)它們正好都處在高峰時(shí)，那么疊加起來(lái)的這個(gè)波就會(huì)達(dá)到兩倍的峰值，如果都處在低谷時(shí)，疊加的結(jié)果就會(huì)是兩倍深的谷底。但是，等等，如果正好一列波在它的高峰，另外一列波在它的谷底呢？答案是它們會(huì)互相抵消。如果兩列波在這樣的情況下相遇(物理上叫做“反相”)，那么在它們重疊的地方，將會(huì)波平如鏡，既沒(méi)有高峰，也沒(méi)有谷底。
　    托馬斯*楊在研究牛頓環(huán)的明暗條紋的時(shí)候，被這個(gè)關(guān)于波動(dòng)的想法給深深打動(dòng)了。為什么會(huì)形成一明一暗的條紋呢？一個(gè)思想漸漸地在楊的腦海里成型：用波來(lái)解釋不是很簡(jiǎn)單嗎？明亮的地方，那是因?yàn)閮傻拦庹檬恰巴唷钡模鼈兊牟ǚ搴筒ü日孟嗷ピ鰪?qiáng)，結(jié)果造成了兩倍光亮的效果；而黑暗的那些條紋，則一定是兩道光處于“反相”，它們的波峰波谷相對(duì)，正好互相抵消了。這一大膽而富于想象的見(jiàn)解使楊激動(dòng)不已，他馬上著手進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，并于1801年和1803年分別發(fā)表論文報(bào)告，闡述了如何用光波的干涉效應(yīng)來(lái)解釋牛頓環(huán)和衍射現(xiàn)象。甚至通過(guò)他的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出了光的波長(zhǎng)應(yīng)該在1/36000至1/60000英寸之間。
　    在1807年，楊總結(jié)出版了他的《自然哲學(xué)講義》，里面綜合整理了他在光學(xué)方面的工作，并在里面第一次描述了他那個(gè)名揚(yáng)四海的實(shí)驗(yàn)：光的雙縫干涉。
　    楊的實(shí)驗(yàn)手段極其簡(jiǎn)單：把一支蠟燭放在一張開(kāi)了一個(gè)小孔的紙前面，這樣就形成了一個(gè)點(diǎn)光源(從一個(gè)點(diǎn)發(fā)出的光源)?，F(xiàn)在在紙后面再放一張紙，不同的是第二張紙上開(kāi)了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過(guò)兩道狹縫投到屏幕上，就會(huì)形成一系列明、暗交替的條紋，這就是現(xiàn)在眾人皆知的干涉條紋。
　　    楊的著作點(diǎn)燃了革命的導(dǎo)火索，物理史上的“第二次波-粒戰(zhàn)爭(zhēng)”開(kāi)始了。
        這個(gè)簡(jiǎn)單巧妙的實(shí)驗(yàn)所揭示出來(lái)的現(xiàn)象證據(jù)確鑿，幾乎無(wú)法反駁。無(wú)論微粒怎么樣努力，就是難以說(shuō)明兩道光疊加在一起怎么會(huì)反而造成黑暗。而波動(dòng)的理由卻是簡(jiǎn)單而直接的：兩個(gè)小孔距離屏幕上某點(diǎn)的距離會(huì)有所不同。當(dāng)這個(gè)距離是波長(zhǎng)的整數(shù)值時(shí)，兩列光波正好互相加強(qiáng)，就形成亮點(diǎn)。反之，當(dāng)距離差剛好造成半個(gè)波長(zhǎng)的相位差時(shí)，兩列波就正好互相抵消，造成暗點(diǎn)。理論計(jì)算出的明亮條紋距離和實(shí)驗(yàn)值分毫不差。
　    在節(jié)節(jié)敗退后，微粒終于發(fā)現(xiàn)自己無(wú)法抵擋對(duì)方的進(jìn)攻。于是它采取了以攻代守的戰(zhàn)略。許多對(duì)波動(dòng)說(shuō)不利的實(shí)驗(yàn)證據(jù)被提出來(lái)以證明波動(dòng)說(shuō)的矛盾。其中最為知名的就是馬呂斯(Etienne Louis Malus)在1809年發(fā)現(xiàn)的偏振現(xiàn)象，這一現(xiàn)象和已知的波動(dòng)論有抵觸的地方。兩大對(duì)手開(kāi)始相持不下，但是各自都沒(méi)有放棄自己獲勝的信心。楊在給馬呂斯的信里說(shuō)：“……您的實(shí)驗(yàn)只是證明了我的理論有不足之處，但沒(méi)有證明它是虛假的?！?br>       1818年法國(guó)科學(xué)院舉行懸賞征文競(jìng)賽。競(jìng)賽的題目是利用精密的實(shí)驗(yàn)確定光的衍射效應(yīng)以及推導(dǎo)光線通過(guò)物體附近時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。競(jìng)賽評(píng)委會(huì)由許多知名科學(xué)家組成，這其中包括比奧(J.B.Biot)、拉普拉斯(Pierre Simon de Laplace)和泊松(S.D.Poission)，都是積極的微粒說(shuō)擁護(hù)者。組織這個(gè)競(jìng)賽的本意是希望通過(guò)微粒說(shuō)的理論來(lái)解釋光的衍射以及運(yùn)動(dòng)，以打擊波動(dòng)理論。
　    但是戲劇性的情況出現(xiàn)了。一個(gè)不知名的法國(guó)年輕工程師--菲涅耳向組委會(huì)提交了一篇論文《關(guān)于偏振光線的相互作用》。在這篇論文里，菲涅耳采用了光是一種波動(dòng)的觀點(diǎn)，但是革命性地認(rèn)為光是一種橫波(也就是類(lèi)似水波那樣，振子作相對(duì)傳播方向垂直運(yùn)動(dòng)的波)而不像從胡克以來(lái)一直所認(rèn)為的那樣是一種縱波(類(lèi)似彈簧波，振子作相對(duì)傳播方向水平運(yùn)動(dòng)的波)。從這個(gè)觀念出發(fā)，他以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理，圓滿(mǎn)地解釋了光的衍射，并解決了一直以來(lái)困擾波動(dòng)說(shuō)的偏振問(wèn)題。他的體系完整而無(wú)缺，以致委員會(huì)成員為之深深驚嘆。泊松并不相信這一結(jié)論，對(duì)它進(jìn)行了仔細(xì)的審查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)把這個(gè)理論應(yīng)用于圓盤(pán)衍射的時(shí)候，在陰影中間將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)亮斑。這在泊松看來(lái)是十分荒謬的，影子中間怎么會(huì)出現(xiàn)亮斑呢？這差點(diǎn)使得菲涅爾的論文中途夭折。但菲涅耳的同事阿拉果(Fran?ois Arago)在關(guān)鍵時(shí)刻堅(jiān)持要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)真的有一個(gè)亮點(diǎn)如同奇跡一般地出現(xiàn)在圓盤(pán)陰影的正中心，位置亮度和理論符合得相當(dāng)完美。圓盤(pán)陰影正中的亮點(diǎn)(后來(lái)被相當(dāng)有誤導(dǎo)性地稱(chēng)作“泊松亮斑”)成了波動(dòng)軍手中威力不下于干涉條紋的重武器，給了微粒勢(shì)力以致命的一擊。到了19世紀(jì)中期，微粒說(shuō)挽回戰(zhàn)局的唯一希望就是光速在水中的測(cè)定結(jié)果了。因?yàn)楦鶕?jù)粒子論，這個(gè)速度應(yīng)該比真空中的光速要快，而根據(jù)波動(dòng)論，這個(gè)速度則應(yīng)該比真空中要慢才對(duì)。
　    在1819年的5月6日，傅科(Foucault，他后來(lái)以“傅科擺”實(shí)驗(yàn)而聞名)向法國(guó)科學(xué)院提交了他關(guān)于光速測(cè)量實(shí)驗(yàn)的報(bào)告。在準(zhǔn)確地得出光在真空中的速度之后，他也進(jìn)行了水中光速的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)這個(gè)值小于真空中的速度。波動(dòng)論終于在100多年后革命成功，第二次微波戰(zhàn)爭(zhēng)隨著微粒的戰(zhàn)敗而宣告結(jié)束。

                                                           電磁理論的誕生

        但是波動(dòng)內(nèi)部還是有一個(gè)小小的困難，就是以太的問(wèn)題。光是一種橫波的事實(shí)已經(jīng)十分清楚，它傳播的速度也得到了精確測(cè)量，這個(gè)數(shù)值達(dá)到了30萬(wàn)公里/秒，是一個(gè)驚人的高速。通過(guò)傳統(tǒng)的波動(dòng)論，我們必然可以得出它的傳播媒介的性質(zhì)：這種媒介必定是十分地堅(jiān)硬，比最硬的物質(zhì)金剛石還要硬上不知多少倍。然而事實(shí)是從來(lái)就沒(méi)有任何人能夠看到或者摸到這種“以太”，也沒(méi)有實(shí)驗(yàn)測(cè)定到它的存在。星光穿越幾億億公里的以太來(lái)到地球，然而這些堅(jiān)硬無(wú)比的以太卻不能阻擋任何一顆行星或者彗星的運(yùn)動(dòng)，哪怕是最微小的也不行！
　　    波動(dòng)對(duì)此的解釋是以太是一種剛性的粒子，但是它卻是如此稀薄，以致物質(zhì)在穿過(guò)它們時(shí)幾乎完全不受到任何阻力，“就像風(fēng)穿過(guò)一小片叢林”(托馬斯?楊語(yǔ))。以太在真空中也是絕對(duì)靜止的，只有在透明物體中，可以部分地被拖曳(菲涅耳的部分拖曳假說(shuō))。
　    這個(gè)觀點(diǎn)其實(shí)是十分牽強(qiáng)的，但是波動(dòng)說(shuō)并沒(méi)有為此困惑多久。因?yàn)楦蛹?dòng)人心的勝利很快就到來(lái)了。偉大的麥克斯韋于1856、1861和1865年發(fā)表了三篇關(guān)于電磁理論的論文，這是一個(gè)開(kāi)天辟地的工作，它在牛頓力學(xué)的大廈上又完整地建立起了另一座巨構(gòu)，而且其輝煌燦爛絕不亞于前者。麥克斯韋的理論預(yù)言，光其實(shí)只是電磁波的一種。這段文字是他在1861年的第二篇論文《論物理力線》里面特地用斜體字寫(xiě)下的。
       1887年德國(guó)的海因里希*魯?shù)婪?赫茲在卡爾斯魯厄大學(xué)的一間實(shí)驗(yàn)室里專(zhuān)心致志地?cái)[弄他的儀器。赫茲的裝置在今天看來(lái)是很簡(jiǎn)單的：它的主要部分是一個(gè)電火花發(fā)生器，有兩個(gè)相隔很近的小銅球作為電容。赫茲全神貫注地注視著這兩個(gè)相對(duì)而視的銅球，然后合上了電路開(kāi)關(guān)。頓時(shí)，電的魔力開(kāi)始在這個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)里展現(xiàn)出來(lái)：無(wú)形的電流穿過(guò)裝置里的感應(yīng)線圈，并開(kāi)始對(duì)銅球電容進(jìn)行充電。赫茲冷冷地注視著他的裝置，在心里面想象著電容兩段電壓不斷上升的情形。在電學(xué)的領(lǐng)域攻讀了那么久，赫茲對(duì)自己的知識(shí)是有充分信心的，他知道，隨著電壓的上升，很快兩個(gè)小球之間的空氣就會(huì)被擊穿，然后整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)形成一個(gè)高頻的振蕩回路(LC回路)，但是，他現(xiàn)在想要觀察的不是這個(gè)。
　    果然，過(guò)了一會(huì)兒，隨著細(xì)微的“啪”的一聲，一束美麗的藍(lán)色電花爆開(kāi)在兩個(gè)銅球之間，整個(gè)系統(tǒng)形成了一個(gè)完整的回路，細(xì)小的電流束在空氣中不停地扭動(dòng)，綻放出幽幽的熒光。
　　    赫茲反而更加緊張了，他盯著那串電火花，還有電火花旁邊的空氣。他不是要看這個(gè)裝置如何產(chǎn)生火花短路，他這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的，是為了求證那虛無(wú)飄渺的“電磁波”的存在。那是一種什么樣的東西啊，它看不見(jiàn)，摸不著，到那時(shí)為止誰(shuí)也沒(méi)有見(jiàn)過(guò)，驗(yàn)證過(guò)它的存在?？墒?，赫茲是堅(jiān)信它的存在的，因?yàn)樗躯溈怂鬼f(Maxwell)理論的一個(gè)預(yù)言：不管理論怎樣無(wú)懈可擊，它畢竟還是要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證的。他站在那里看了一會(huì)兒，在心里面又推想了幾遍，終于確定自己的實(shí)驗(yàn)無(wú)誤：如果麥克斯韋是對(duì)的話，那么在兩個(gè)銅球之間就應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)振蕩的電場(chǎng)，同時(shí)引發(fā)一個(gè)向外傳播的電磁波。赫茲轉(zhuǎn)過(guò)頭去，在實(shí)驗(yàn)室的另一邊，放著一個(gè)開(kāi)口的銅環(huán)，在開(kāi)口處也各鑲了一個(gè)小銅球。那是電磁波的接收器，如果電磁波真的存在的話，那么它就會(huì)穿越這個(gè)房間到達(dá)另外一端，在接收器那里感生一個(gè)振蕩的電動(dòng)勢(shì)，從而在接收器的開(kāi)口處也激發(fā)出電火花來(lái)。
　　    實(shí)驗(yàn)室里面靜悄悄地，赫茲一動(dòng)不動(dòng)地站在那里，仿佛他的眼睛已經(jīng)看見(jiàn)那無(wú)形的電磁波在空間穿越。銅環(huán)接受器突然顯得有點(diǎn)異樣，赫茲簡(jiǎn)直忍不住要大叫一聲，他把自己的鼻子湊到銅環(huán)的前面，明明白白地看見(jiàn)似乎有微弱的火花在兩個(gè)銅球之間的空氣里閃爍。赫茲飛快地跑到窗口，把所有的窗簾都拉上，現(xiàn)在更清楚了：淡藍(lán)色的電花在銅環(huán)的缺口不斷地綻開(kāi)，而整個(gè)銅環(huán)卻是一個(gè)隔離的系統(tǒng)，既沒(méi)有連接電池也沒(méi)有任何的能量來(lái)源。赫茲注視了足足有一分鐘之久，在他眼里，那些藍(lán)色的火花顯得如此地美麗。終于他揉了揉眼睛，直起腰來(lái)：現(xiàn)在不用再懷疑了，電磁波真真實(shí)實(shí)地存在于空間之中，正是它激發(fā)了接收器上的電火花。他勝利了，成功地解決了這個(gè)8年前由柏林普魯士科學(xué)院提出懸賞的問(wèn)題；同時(shí)，麥克斯韋的理論也勝利了，物理學(xué)的一個(gè)新高峰--電磁理論終于被建立起來(lái)。偉大的法拉第(Michael Faraday)為它打下了地基，偉大的麥克斯韋建造了它的主體，而今天，他--偉大的赫茲--為這座大廈封了頂。
       根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，赫茲得出了電磁波的波長(zhǎng)，把它乘以電路的振蕩頻率，就可以計(jì)算出電磁波的前進(jìn)速度。這個(gè)數(shù)值精確地等于30萬(wàn)公里/秒，也就是光速。麥克斯韋驚人的預(yù)言得到了證實(shí)：原來(lái)電磁波一點(diǎn)都不神秘，我們平時(shí)見(jiàn)到的光就是電磁波的一種，只不過(guò)它的頻率限定在某一個(gè)范圍內(nèi)，而能夠?yàn)槲覀兯?jiàn)到罷了。
　　    無(wú)論從哪一個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，這都是一個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn)。古老的光學(xué)終于可以被完全包容于新興的電磁學(xué)里面，而“光是電磁波的一種”的論斷，也終于為爭(zhēng)論已久的光本性的問(wèn)題下了一個(gè)似乎是不可推翻的定論。電磁波的反射、衍射和干涉實(shí)驗(yàn)很快就做出來(lái)了，這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步地證實(shí)了電磁波和光波的一致性，無(wú)疑是電磁理論的一個(gè)巨大成就。。
        波動(dòng)說(shuō)現(xiàn)在是如此地強(qiáng)大，憑借著麥?zhǔn)侠碚摰牧α?，它已?jīng)徹底地將微粒打倒，并且很快就拓土開(kāi)疆，建立起一個(gè)空前的大帝國(guó)來(lái)。不久后，它的領(lǐng)土就橫跨整個(gè)電磁波的頻段，從微波到X射線，從紫外線到紅外線，從γ射線到無(wú)線電波……普通光線只是它統(tǒng)治下的一個(gè)小小的國(guó)家罷了。（未完待續(xù)）

最后修改于 2007-08-17 10:44 閱讀(115)評(píng)論(0)

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