物理学家就像是一群冲浪爱好者,他们对波格外感兴趣。当然,对冲浪爱好者来说,海洋里的波浪关乎他们在潮头的嬉戏。但对于物理学家而言,无处不在的波则关系到物理现象背后的自然机理。今年6月1日公布的又一次引力波探测结果,再次撩动了全世界科学爱好者们颤动的心弦。波一直是科学和数学领域的热门话题,从光学、热学到收音机和电视,从声谱到音乐,从地震到全系息影像,波在诸多物理过程中扮演着极为重要的角色。
科学界许多伟大成就实质上就是发现新的波动形式或是对于波的运动有了新的理解。10托马斯·杨:光的波动说在19世纪初叶,英国物理学家托马斯·杨为一场关于光的本质的世纪之辩落下了帷幕,也正式为牛顿为首的光粒子说敲响了丧钟。杨接过了牛顿的同辈人惠更斯的衣钵,坚定地认为光在空间中以波的形式传播。借助一系列巧妙的实验,杨为世人展示了光具有波动性的有力证据。
9迈克耳逊莫雷:光不需要传播媒介波是振动的传播,这意味着需要有传播介质。声波源于空气分子的振动,海浪源于水分子的振动。光波则曾被认为源于一种不可见的物质“以太”的振动。1887年,艾尔伯特·迈克尔逊和他的同事爱德华·莫雷设计了一次探测以太的实验。8麦克斯韦:光是一种电磁波麦克斯韦逝世于1879年,巧的是,这一年爱因斯坦刚刚出生,所以麦克斯韦一生都并不知道以太并不存在。
虽说如此,麦克斯韦还是成功用以太中的应力解释了电与磁现象。7海因里希·赫兹:无线电波一开始麦克斯韦的理论并没有引起很大的反响。但也有少数麦克斯韦的信徒致力于推广他的理论与思想。德国物理学家赫兹就是其中一员,他在卡尔斯鲁厄的实验室里成功地产生并检测到了无线电波。6约翰·米歇尔:地震波在1755年的里斯本大地震的驱使下,英国地质学家及天文学家米歇尔开始研究地震的起因。
在1760年,他注意到火山——亦即他笔下的“火焰山”——通常出现在地震频发地域的附近,米歇尔因而认为“地下火”是地震的罪魁祸首。5威廉·伦琴:X射线当赫兹发现无线电波的时候,他很清楚自己在寻找的是麦克斯韦所预言的长波辐射。但在几年后,1895年,伦琴发现电磁波谱上与无线电波相对的短波辐射——这一发现完全是偶然的。
4伊壁鸠鲁:随机转向这里我们说的并不是一般意义上的波,而是公元前300年左右由希腊哲学家伊壁鸠鲁设想的相对直线运动的偏差。与亚里士多德不同,伊壁鸠鲁相信原子论,并辩称我们的世界是由无限个随机碰撞的微小粒子构筑而成。
3路易斯·德布罗意:物质波在20世纪20年代早期,德布罗意注意到量子力学与相对论之间奇妙的联系,普朗克那著名的量子公式将能量与波动的频率联系在一起;而爱因斯坦的狭义相对论又把能量与粒子质量关联起来。2马克斯·玻恩:概率波德布罗意思想的火花在量子力学领域燃起了一片燎原之火,物理学家们尝试把物质波理论整合进量子力学框架内。
1LIGO: 引力波在完成广义相对论后不久,爱因斯坦意识到他的理论预示了引力辐射存在的可能性——即时空本身的振荡。然而他老人家何曾想到,在百年以后,物理学家们豪掷千金,竟然真的探测到了这些时空的涟漪。