上帝说:要有光!于是有了光。大地有了一片光明,人间充满无限欢腾。可是万能的上帝遗留给人类一个极其困惑的问题——光是什么?千百年来,无数学者哲人深深陷入这个问题苦苦思索,这个问题的答案几乎囊括了人类史上最聪明的智慧。
我们还是来看看历史上的牛人怎么解答的吧!先看看咱们的墨家军,中国的墨子和他的弟子们早在公元前400多年前就做了光的小孔成像实验,并解释了物体和投影的关系原理——光的直线传播。
喜欢讨论的问题的古希腊人对光同样充满好奇,毕达哥拉斯最早把光解释为光源向四周发射的一种东西,遇到障碍物即被弹开,弹入人眼即让人感觉到了最后一个将光弹开的障碍物。而后托勒密在《光学》一书描述了光的折射现象,达芬奇也描述过光的反射现象等并试图做出解释,而后开普勒及斯涅耳的实验给出了光的折射定律的数据,只是,他们并没有发表。
直到数学家笛卡尔在《屈光学》提出了光的折射定律的数学几何形式表达,他同时留下了对光的两种可能解释。
光可能是波,意大利数学家格里马蒂如是说。他让一束光穿过两个小孔并投影到暗室屏幕上,结果在发现在投影屏幕上有明暗相间的条纹。这和水波的衍射非常相似,说明了光的波动性。他还认为物体之所以显现不同颜色是因为有着不同频率的光。
光应该是波,英国物理学家胡克如是说。因为他用肥皂泡和薄云母重复了格里马蒂的实验,他认为“光是以太的一种纵向波”,而且光的颜色就和其频率有关。
光怎么会是波,明明是粒子嘛,英国物理学家牛顿如是说。1666年牛顿在家休假躲避黑死病,没事玩起了三棱镜,他发现一束白光可以分成不同颜色的光,而不同的单色光也可以合成还原成白光,为此他成功解释的光的色散现象。牛顿的分光实验让光学从几何光学跨入到了物理光学。牛顿认为光应该是由微粒组成,并且走最快速直线路径,光的分解和合成就是不同颜色的微粒分开和混合的结果。
于是解答这个问题伊始就有了两大门派——“波动说”和“微粒说”。其实牛顿在开始时并不特别反对波动说,但“微粒说”对胡克等前人的“波动说”发起了挑战,这让胡克很不爽,直接结果就是胡克拉着波义耳等一起枪毙了牛顿关于光的颜色的论文,而牛顿也不甘示弱,在以后的论文里不断提出对“波动说”的反驳。这些争论最终导致了牛顿和胡克的终身私人仇恨,牛人相斗,两败俱伤。
历史的车轮总是滚滚向前的,在新自然哲学思潮下,权威也未必不被人怀疑。1800年-1807年,托马斯.杨再次扛起了波动说的大旗。作为新一代掌门,杨用物理学最有力的研究方法——理论预言加实验验证然后再理论解释逐渐完善了波动说。杨首先把光和声波进行对比,认为光同样存在叠加后增强或减弱的现象——光的干涉。
他做了著名的杨氏双缝干涉实验:让一束单色光穿过小孔衍射到另两个小孔上,在小孔另一侧接收屏上观察到了明暗相间的条纹。这是证明光的波动性的关键实验,可惜最初杨的解释并不正确,因为他认为光波和声波一样都是纵波(传播方向和振动方向在平行),而明暗相间的干涉条纹来自于入射波和反射波的叠加。
19世纪后期,法拉第等人对电磁学的深入研究让人们初步形成一个概念:光其实就是一种电磁波。
1872年,麦克斯韦用四个方程完美地统一解释了所有电磁学现象,并且由此可以推论出电磁波的存在,且以光速传播,我们看到的可见光实际上不过是电磁波的一种。1888年德国的赫兹通过一系列实验证实了电磁波的存在!光不仅仅是波,而且是电磁波,除了光之外,无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线等等都是电磁波,它们之间的区别在于频率不同而已。光的波动说至此可谓达到了完美。
可是,再完美的学说也有瑕疵,人们始终为一个问题而困惑:既然光是波,那么传播光的载体是什么?笛卡尔老祖宗说是以太,好吧,那么以太是什么?怎么我们人类看不到?关键时刻还是需要实验来说话,英国迈克尔逊和莫雷在1887年做了所谓的“以太漂移”实验。这是一个非常精巧的实验。如果地球是相对于绝对静止的以太运动,那么若光线沿此运动方向传播则是光速和地球运动速度的叠加,而沿着垂直该方向传播的速度则要小一些。
结果出乎所有人意料之外——光速沿任何方向几乎不变,换句话说,以太是不存在的!
波动说的烦恼还不仅仅在于找不到“以太”这个载体,更可怕的乌云一朵接一朵地飘来。赫兹的实验还有另一个现象,当用紫外线照射两个金属球时,电火花似乎更易出来,即光对金属的照射可以产生电子。这就是光电效应的发现,爱因斯坦后来对其做出了解释,他认为光以粒子形式入射到金属上,金属电子将吸收其能量并逃逸出来。光的微粒说再次浮出水面!爱因斯坦把光的微粒叫做“光子”。
正是在粒子和波的一片混乱之中,物理学迎来了史上最伟大的一场革命——量子力学诞生了。早在1913年,玻尔就用量子化的能量概念成功解释了原子的行星模型,即电子绕原子核运动的能量也是不连续的,只能在某些固定能量轨道上运动。
1924年,法国的德布罗意提出了波粒二象性的概念,不只是光具有波粒二象性,几乎所有微观粒子或者电磁波都是如此,粒子的能量等于普朗克常数乘以其波动频率,粒子的动量等于普朗克常数除以其波长。
于是,一切皆是粒子,一切又皆是波。关于光的粒子说和波动说的论战逐渐变成了遥远的传说,只在历史的长河上,留下了无数智者的身影,照耀着后人的前行。