光是什麼?該怎麼定義呢?

2020-12-05 逃離網際網路

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。

話說小明有個科學家朋友,叫達文西,他研製出一個手電筒,當有光照到這個手電筒時,它就會亮。

「那麼沒有光照到它呢?」

「絕對不亮。」

「......」

故事雖然出現脫褲子放屁——多此一舉的邏輯問題,但是在古代不乏有這樣的思考,古人(未必只有古希臘人)認為人能看見東西是因為從眼睛裡發出光,照到物體上。

「那麼漆黑的夜裡為什麼看不見呢?」

「可能或許大概是因為沒有光照到眼睛裡吧?」

這個悖論存在了很多年,直到古羅馬時期的盧克萊修(約公元前99-約公元前55年,中國漢武帝末期),他認為眼睛不發光,是光從光源直接到達眼睛,由於當時他名氣不大,所以其學說沒有盛行。這個學說也存在問題,比如在光的情況下看到的自己的手,但是沒有光源時,則看不到。這說明光不是有光源直達眼睛的。

到了公元1000年左右,阿拉伯人海什木(公元965年-1040年,北宋於960年建國),他發展了光學理論:眼睛看到物體是由於光源照射到物體上,然後由物體反射到眼睛上。他還專門做了實驗——小孔成像。雖然早在中國早在墨子時代就有小孔成像的實驗,但是墨子說明了現象並沒有解釋原因,所以小孔成像的版權當屬阿拉伯人所有。在小孔成像中,光直線傳播後形成一個倒立的像,人們似乎可以看到光的傳播路徑,從而證明海什木觀點。小孔成像不過是諸多實驗中的一個,他經常用實驗來證明論斷,這也為他贏得了「人類第一個科學家」的美譽。

儘管沒有搞清楚眼睛與光的問題,依然不妨礙古希臘人研究光的一些普通的現象——折射與反射。

古希臘幾何大師歐幾裡得(前330-前275)研究了平面鏡反射成像原理,反射角與入射角相等的規律;天文學家託勒密也研究過光的折射現象,是第一個測量入射角和折射角的人。

轉眼間就到了伽利略時代,那時候荷蘭人已經用凹凸鏡製成瞭望遠鏡,而且伽利略和克卜勒都有一副自己發明的望眼鏡,其原理就是光通過透鏡時發生折射。他們都對光的折射有一定的研究。克卜勒提出了入射角和折射角的比例關係,雖然不很精確。

此後,荷蘭人斯涅耳(1580年-1626)在1621年得出最正確的入射角與折射角關係式,正確到後來出現在中學的教科書中。笛卡爾在此基礎上引入正弦餘弦表述式。斯涅耳還用光的折射解釋了物體漂移的現象。

然而說了這麼多,還沒有說清楚光到底是什麼?在古希臘人看來,光是一個個小小的顆粒,這種小顆粒以極快的速度沿著直線傳播,遇到物體會反射、越到透明或者半透明物體會折射。然而卻有個問題無法解釋——光的衍射。

義大利數學家格裡馬第(1618-1663) 看到一個很詭異的現象:點光源照到木桿上,木桿的影子比預期的要寬,這說明光不是按照直線傳播的,至少不是完全按照直線傳播。1655年,他做了一個點光源的衍射實驗,居然和水波的衍射一樣。所以他認為光是一種波,和水波類似。由此醞釀出一場幾百年的戰爭——波粒戰爭。

格裡馬第的實驗引起了英國科學家胡克的注意。羅伯特·胡克(1635年-1703),英國偉大的科學家,發明家。胡克為我們所熟悉是因為以他命名的胡克定律,也就是彈簧的彈性定律。實際上這只是他為人類貢獻的一下部分,他還發明了複雜且清晰的顯微鏡,讓人類肉眼第一次看到植物細胞。當他知道格裡馬第的實驗後,開始研究肥皂泡泡上的顏色,他判斷光是一種速度很快的縱波,就像吹氣球一樣向外擴散,一波一波又一波的,光的顏色由頻率決定。這一系列的發現、發明把他推到了皇家科學院院長的寶座。顯然他不是等閒之輩。只是和他結下梁子的是強大的牛頓。

1671年,牛頓根據光的色散實驗,向皇家科學院提交了報告,這個理論顯然和胡克有很大的出入。他們由此交惡。同時善於研究力學的牛頓,堅持光的微粒說,因為微粒受力符合牛頓力學定律,而且傳輸不需要媒介,這點正是波動學說做不到的。波粒戰爭正是開始了。

這個時候,荷蘭科學家惠更斯站了出來。1678年,他明確反對牛頓的觀點,同時又對胡克的波動說進行了改造。他認為光源把微粒傳給周邊物質「以太」,在以每個受激的「以太」粒子為中心,向四周碰撞,由於「以太」是剛性的小球,所以 「以太」粒子本身不前進,但是能像四面八方傳遞波,為此他還提出了光波面的概念,從宏觀上看,他的傳播方式有點像胡克的吹氣球。這套理論在當時是很完美的,能解釋光的折射、衍射等現象。

牛頓的「微粒說」與惠更斯的「波動說」終於展開了激烈的角逐,這是一場曠日持久的拉鋸戰,不過最終以牛頓的「微粒說」勝利而告終,勝利的原因並不是因為實驗證據,而是因為牛頓在學術界的權威。誰讓他的名望太高,成就太大呢?但是「波動學說」則表示這事不算完。

說話間,一個世紀又過去了,英國物理學家託馬斯·楊(1773-1829)對牛頓的光學理論產生了懷疑。懷疑的起點是,他把光和聲進行類比,因為二者在重疊後都有加強或減弱的現象。其實就是波的幹涉現象。1801年,託馬斯·楊進行了著名的楊氏雙縫幹涉實驗。實驗所使用的白屏上明暗相間的黑白條紋證明了光的幹涉現象,從而證明了光是一種波。他把實驗結果告訴了牛頓的忠實粉絲阿拉果,阿拉果徹底別實驗折服,成為站在「波動學說」一邊。

到了1815年,法國物理學家菲涅耳1788~1827,試圖恢復惠更斯的波動學說,但是沒有進展,因為他還不知道託馬斯楊的實驗。「叛變過來」的阿拉果告訴他該實驗及其結果,並告訴他託馬斯楊已經證實光是一種橫波了。於是菲涅耳和阿拉果一道,建立光波的傳播理論。

波粒戰爭再次被喚醒了,雖然在這100多年,微粒派沒有什麼驚人的實驗結果,然而這千萬不能忽略的影響力,所以波粒只能打個平手。

這個時候的科學家,大部分多少在研究時髦的電磁學。其中就包括麥克斯韋、赫茲等等。終於由麥克斯韋預言、赫茲證實光是一種電磁波之後,宣告第二次波粒戰爭以波動學說的勝利而告終。到目前為止,似乎沒有人在異議光是一種波了。然而該怎麼玩轉這種波呢?

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