光的真理是什麼?牛頓和惠更斯的千古論戰!

2021-01-08 火紅科技

光是什麼?早在古希臘時期,自然哲學家就已經在思考這個問題了。最直觀的答案是:光是由極細小的微粒組成的。這可以很容易地解釋一些光學現象:光微粒的運動速度極快,所以光做直線傳播;光線反射是由於光微粒碰撞反射面引起的;光從一種媒介進入另一種媒介(例如從空氣進入水)時會發生折射,是因為光微粒在不同媒介的運動速度不同。

牛頓就是光的微粒學說的集大成者,認為光微粒遵循他發現的三大運動定律。牛頓發現陽光是由不同顏色的光混合而成的,他認為不同質量的光微粒產生了不同顏色的光,這些光微粒混合在一起,就變成了白光。

義大利數學家格裡馬第已經注意到,讓一束光穿過兩個小孔,其投影的邊緣出現明暗條紋。他聯想到水波的衍射,提出光可能是一種波,不同顏色的光是由於光波的頻率不同引起的。但是怎麼用波動來解釋光的反射和折射呢?惠更斯提出了一個後來被稱為「惠更斯原理」的學說,闡明波面在媒介中的傳播性質,在此基礎上用作圖法巧妙地解決了這些問題。

惠更斯

牛頓的死對頭胡克也支持波動學說。牛頓剛提出微粒學說時,備受胡克的譏諷,聲稱牛頓學說正確的部分是剽竊他的,其他部分則荒誕不經。牛頓一氣之下不再發表光學著作,等到胡剋死後,才出版《光學》一書,全面論述微粒學說,構建了一個相當精緻的體系。這時候惠更斯也已經死了,沒有人能和牛頓唱對臺戲。由於牛頓的權威,微粒學說被普遍接受,畢竟,這個巨人在那麼多科學問題上都對了,這一個想必也不會錯吧?

牛頓

牛頓死後70多年,才有人試圖復興惠更斯的波動學說。英國物理學家託馬斯?楊、法國物理學家菲涅耳用幹涉實驗證明了光是一種波。不過,對牛頓微粒學說的致命一擊發生於1850年。

牛頓和惠更斯的學說都能解釋光的折射現象,但是有一個重大差別:牛頓學說認為光從空氣進入水發生折射,是因為光微粒在水中的運動速度比較快;而惠更斯學說恰恰相反,認為是由於光波在水中傳播速度比較慢導致的。當時人們還沒有辦法精確地測量光速,不能驗證誰對誰錯。1850年,條件成熟了。法國物理學家傅科用實驗證明了水讓光速變慢,牛頓的學說被推翻。

光速

此後,麥克斯韋建立電磁學,認為光就是一定頻率範圍內的電磁波,赫茲用實驗證實了這個預見。波動學說取得了全面的勝利。但是赫茲同時也證實了光電效應,即在光的照射下物體會釋放出電子,這是波動學說沒法解釋的。為了解決這個問題,愛因斯坦提出光的發射和吸收都採取量子的形式,光波是由光子組成的,光具有波和粒子二重性質。

這給人的印象似乎牛頓也沒有錯。經常有人在爭論問題時引用這個所謂「波粒二象性」來說明真理不止一個,大家爭來爭去可能只是看到了問題的不同一面,最終會統一起來,證明大家都對。這個觀點是錯誤的。愛因斯坦的光子和牛頓的微粒除了都是粒子之外,並無任何相同之處。光子不是牛頓所描繪的那種遵循經典力學運動定律的微粒。牛頓對光的反射、折射、衍射、顏色等等光學現象的解釋都是錯誤的,波動學說才是正確的。在光的問題上,真理仍然只有一個。

相關焦點

  • 牛頓都欽佩的物理學家惠更斯
    克裡斯蒂安·惠更斯是荷蘭數學家、天文學家和物理學家,他創立了光的波動理論,發現了土星光環的真實形狀,並對動力學(研究力對物體的作用)做出了最初的貢獻。他負責鐘擺作為時鐘的時間控制器的實際應用。惠更斯來自一個富裕而顯赫的中產階級家庭。
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    製造望遠鏡需要磨製鏡片,而磨製鏡片在當時是一門高深的技術活,不是什麼人都能做的,也不像現代社會有各種機器可以打磨鏡片。當時的科學家只能靠自己磨製鏡片,但是動手這件事情,不是所有人都擅長的,於是很多科學家可以設計望遠鏡,但是卻做不出來。
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  • 光的本質之光到底是什麼?
    光可以說是所有基本粒子中最具特色,最神奇的一種。沒有光,我們眼中的世界就會漆黑一片,整個宇宙的物質構架都會崩塌。光是什麼,是人類一直追尋的謎題之一。牛頓發現了光等等色散現象,如果用一個稜鏡對光進行分解,我們就可以神奇地得到彩虹!這人牛頓覺得光就像不同的顏色顆粒一樣,混合在一起就是白光,通過稜鏡之後就可以再次分解為不同顏色的微粒,從而呈現出橙紅綠青藍紫等彩虹顏色。牛頓的這種微粒說,還可以很好地解釋光的發射、折射等現象。鑑於牛頓巨大的影響力,幾乎當時所有的科學家們都接受了光的微粒說。
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    而在1652年,惠更斯將彈性碰撞的規律公式化,並開始幾何光學的學習。在1655年他讓自己與他哥哥一起,去磨製鏡片。他們製造了顯微鏡和望遠鏡。而惠更斯在1655-1656年的冬天,發現了土星的衛星並辨識出了土星光環。1656年惠更斯發明了擺鐘。
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    對很多人來說,「平凡」是一件,逐漸被接受了的事實,不奢求大富大貴,不奢求聲名遠揚,只求在安逸生活的同時,能夠做好一項事業,但有些人,他們的目光總是落在最高處,他們的人生軌跡和我們截然不同,他們的成就,是我們連想都不敢想的高度,這種落差大概就是,塵沙與星辰的區別吧,我們今天要介紹的這位天才,就是萬點星空中不可忽視的一顆,克裡斯蒂安·惠更斯,被稱為是介於伽利略與牛頓之間,一位重要的物理學先驅
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    最早對光的性質提出假設的是法國哲學家、數學家、科學家勒內·笛卡爾,他在1637年發表的《正確思維和發現科學真理的方法論》(簡稱方法論)一書中,提出了光的兩種假設,一種認為光是類似於微粒的一種物質,另一種認為光是一種以「以太」為媒介的壓力。他沒有明確說光是一種波,卻為未來光的粒子說和波動說之爭埋下了伏筆。
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  • 【前沿物理】光是什麼?是粒子,還是波?都是傳說!
    直到數學家笛卡爾在《屈光學》提出了光的折射定律的數學幾何形式表達,他同時留下了對光的兩種可能解釋。一是說光是類似於微粒的物質;二是說光是一種以「以太」為媒質的壓力,即可能是波。光究竟是什麼?成了遺留給後人的問題。  光可能是波,義大利數學家格裡馬蒂如是說。他讓一束光穿過兩個小孔並投影到暗室屏幕上,結果在發現在投影屏幕上有明暗相間的條紋。
  • 光是什麼?該怎麼定義呢?
    什麼是光?憑藉我多年的積累和孜孜不倦的鑽研,我很負責的說:我不知道。就這麼任性!然而有比我還任性的,《聖經》上說:「上帝說,要有光於是就有了光。」如果光真是任性的上帝發明的,那麼他老人也給人類發現其中奧秘留下了破綻——晝夜交替。雖然我不知道人類研究光從什麼時候開始,但是我堅信人類肯定從晚上看不見東西開始產生疑惑的。
  • 科學史上一位富二代,通過怎樣的實驗,改變了人們對光固有的認識
    關於光本質的討論一直貫穿著整個科學史,人們對光的討論是個漫長的過程,在18世紀首先由牛頓先生給出了答案:光由微小顆粒組成。要明白的是這個微小顆粒不等同於我們現在認識的光子,在牛頓時期也不乏科學界的鬥士提出新的觀點,代表人物就是大家熟悉的克裡斯蒂安·惠更斯提出的光是一種波,這顯然是正確的。由於當時牛頓的權威性,光波觀點可以說是夭折了。但是科學總是在往前發展,現在小編就帶大家認識下這位熟知的富二代科學家通過怎樣的實驗確立了光的波動性。
  • 牛頓——人類之光
    艾薩克·牛頓,一位偉大的科學家,他與蘋果的故事幾乎成為了全球兒童科學啟蒙的經典。我小時候,就是聽著這個故事長大的,同時開始了對世界和科學的探索與學習。隨著年歲漸長,牛頓這兩個字的含義在我腦海中也日漸豐滿。
  • 牛頓雖然發現了萬有引力定律,但不會做出任何的說明!
    和牛頓同時,有許多人都從事著力學、數學、光學和天文學等方面的研究工作,他們也經常地取得了某些方面的研究成果。因此,牛頓一生中有好幾次,在一些科學發現的發明權問題上,和別人發生爭論。但是,一旦弄清真相,牛頓決不貶低和埋沒別人的工作成就。
  • 愛因斯坦和牛頓,誰對科學界的貢獻更勝一籌?都有什麼?
    一,從對人類貢獻時間長短和日常需要上的比較首先兩人都很偉大,他們對人類科學的貢獻相差無幾。單從科學水平和思想上,愛因斯坦當然比牛頓要高得多,儘管有很多人不接受他的相對論。但愛因斯坦和牛頓時代畢竟相差二百多年,牛頓對人類科學的影響比愛因斯坦多了二百多年,先不論他倆誰貢獻大,單從時間上,牛頓對人類科學的貢獻就比愛因斯坦多了二百多年,目前當然是牛頓的貢獻多一些。
  • 【懶知識】30秒牛頓簡史
    1653年牛頓牧師繼父卒 1654年金格斯中學讀書 1655年寄宿在藥劑師家 1656年惠更斯造出擺鐘 1657年休學在家裡務農 1658年重回金格斯中學 1659年和藥師繼女初戀