揭开光神秘面纱

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对于光的研究(光学)是物理学中最古老的一个分支。它一直也是拥有许多思想、观点的奇异对象。光的神秘面纱,历经多个世纪的研究才逐渐被揭开。
  “让牛顿见鬼去吧”
  这是一次不同寻常的聚会。它之所以引发后世关注,只因有那么几位英国文学界的名流,如此集中而又直率地道出了他们对科学的看法,抑或说敌意。
  时间定格于1817年12月28日,地点是英国画家、评论家本杰明·海顿位于伦敦的书斋。那一天,主人在把诗人约翰·济慈介绍给另一位诗人威廉·华兹华斯、散文家和评论家查尔斯·兰姆等人后,拿出了自己的新作向客人展示。画面表现的是正待进入耶路撒冷的耶稣,耶稣的身旁站着其信徒、科学家艾萨克·牛顿及怀疑论者伏尔泰。
  “你不该画牛顿!”略有醉意的兰姆责备海顿说,“这家伙是个除了三棱镜以外什么都不相信的人。”济慈同意兰姆的看法,称牛顿把彩虹所有的诗意都破坏了,彩虹在其眼里只不过是光谱的排列而已,所以他在碰杯时提议:“让牛顿见鬼去吧。”
  “要抵制牛顿是不可能的!”海顿答道,“我们还得为牛顿的健康干杯,让数学见鬼去吧。”
  让我们回到1666年的英国。那一年,23岁的牛顿做了探讨光的本性的第一个重要实验。按照他本人的叙述,他购买了一块玻璃棱镜(用纯玻璃制成的三角棱体),“以此来试验颜色现象”。为此他“弄暗我的房间,并在我的护窗板上开一小孔,让适量的太阳光进入,我将我的棱镜放在阳光进入处,于是光会因此折射到对面墙上。”
  那时候,人们不相信颜色是光的基本特性之一,认为那不过是光通过另一种物质,如水、云彩或者玻璃时发生的变化。对于彩虹,人们也只是粗略地意识到,这是阳光在水滴内的折射及反射造成的一种独特现象。牛顿在实验中观察到,那束折射到墙上的光不止是变宽的光点,而是一条以大家十分熟悉的彩虹顺序——红、橙、黄、绿、蓝、紫排列的彩色光带,其长度要比其宽度大许多倍。
  这些颜色色谱难道是由棱镜产生的吗?牛顿让这条“虹带”通过反向放置的第二个棱镜(用透镜来取代),以使这些色光重新结合,结果它们真的变成了白光(点)。
  在做过更多的实验之后,牛顿形成了这样一种观点:颜色肯定是光的基本组成要素。普通白光是几种不同颜色的光线的混合物,这些光在各自单独作用于眼睛时,就会产生不同的色觉。每一种颜色都有独特的、不同的折射率。组成白光的各种成分散开而成的光带,称为“光谱”。光谱的伸长是由于玻璃对这些不同的光线折射本领不同。
  牛顿实际上也揭开了物质的颜色之谜:原来,物质的色彩,是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。
  两大学说的初次角力
  色散实验让牛顿一举成名,同时也促使他认真思考光的本质。1672年,在被选入英国皇家学会后,牛顿立即提交了他的研究成果——《关于光和颜色的理论》论文,并发表在《皇家学会哲学杂志》上,这是他第一次公开发表的论文。
  在这篇论文中,牛顿提出了光的“微粒学说”,认为光是由高速运动的细小粒子(微粒)组成的。这些微粒从光源发射,就像子弹从枪膛射出来一样。或者说,光是一束从发光体运动到眼睛的粒子流。这可以解释为什么光按直线前进,并能投下清晰的影子。他还用微粒学说阐述了光的颜色理论,认为光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。
  可是,这一学说却无法解释一些显而易见的事实。比如,为什么绿色的光比黄色的光折射得厉害?为什么两束光可以彼此交叉通过而互不干扰,即为什么组成光的粒子不会互相碰撞?牛顿同代人中的一些杰出学者,也很难接受他的光具有数种不同的、独立的、不能互相转变的颜色,并为某一确定的可折射性所表征的学说——它似乎很容易就能被这样一个实验所驳倒:两种颜色的颜料相混合可以产生第三种颜色的颜料。
  正因如此,光的微粒学说甫一问世就遭到了激烈的反对。由著名物理学家罗伯特·胡克和著名化学家罗伯特·波意耳等组成的英国皇家学会评议委员会,对牛顿提交的光学论文基本上持否定的态度。波意耳指出,物体的颜色并非物体本身的性质,而是光照射在物体上产生的效果。他还第一次记载了肥皂泡和玻璃球表面的彩色条纹。
  反对方手中一个更为有力的“杀手锏”,是意大利物理学家弗朗西斯科·格里马迪于1665年设计的一个实验:他让一束光通过两个前后排列的狭缝后,投射到暗室里的一个空白屏幕上,结果发现,呈现出的光带比进入第一道缝时的光束略微宽些。就此他认为,这束光在狭缝边缘向外有所弯曲,而且显然是光线绕过障碍的一种情况。他把这一现象称为“衍射”。
  随后在进一步的实验中,格里马迪又得到了有明暗条纹的光影图像。他觉得这种现象与水波十分相像,并由此推断:光可能是一种能够做波浪式运动的流体,光的不同颜色可能是波动频率不同的结果。
  格里马迪实则成了光的“波动说”最早的倡导者。胡克在重复了格里马迪的实验,自己又对肥皂泡膜上的颜色进行观察后,提出了“光是‘以太’(ether)的一种纵向波”的假说。
  牛顿的这张手稿图,说明了三棱镜是如何折射光的
  色散实验让牛顿一举成名,同时也促使他认真思考光的本质。1672年,在被选入英国皇家学会后,牛顿立即提交了他的研究成果——《关于光和颜色的理论》论文,并发表在《皇家学会哲学杂志》上,这是他第一次公开发表的论文。
  在这篇论文中,牛顿提出了光的“微粒学说”,认为光是由高速运动的细小粒子(微粒)组成的。这些微粒从光源发射,就像子弹从枪膛射出来一样。或者说,光是一束从发光体运动到眼睛的粒子流。这可以解释为什么光按直线前进,并能投下清晰的影子。他还用微粒学说阐述了光的颜色理论,认为光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。
  可是,这一学说却无法解释一些显而易见的事实。比如,为什么绿色的光比黄色的光折射得厉害?为什么两束光可以彼此交叉通过而互不干扰,即为什么组成光的粒子不会互相碰撞?牛顿同代人中的一些杰出学者,也很难接受他的光具有数种不同的、独立的、不能互相转变的颜色,并为某一确定的可折射性所表征的学说——它似乎很容易就能被这样一个实验所驳倒:两种颜色的颜料相混合可以产生第三种颜色的颜料。正因如此,光的微粒学说甫一问世就遭到了激烈的反对。由著名物理学家罗伯特·胡克和著名化学家罗伯特·波意耳等组成的英国皇家学会评议委员会,对牛顿提交的光学论文基本上持否定的态度。波意耳指出,物体的颜色并非物体本身的性质,而是光照射在物体上产生的效果。他还第一次记载了肥皂泡和玻璃球表面的彩色条纹。
  反对方手中一个更为有力的“杀手锏”,是意大利物理学家弗朗西斯科·格里马迪于1665年设计的一个实验:他让一束光通过两个前后排列的狭缝后,投射到暗室里的一个空白屏幕上,结果发现,呈现出的光带比进入第一道缝时的光束略微宽些。就此他认为,这束光在狭缝边缘向外有所弯曲,而且显然是光线绕过障碍的一种情况。他把这一现象称为“衍射”。
  随后在进一步的实验中,格里马迪又得到了有明暗条纹的光影图像。他觉得这种现象与水波十分相像,并由此推断:光可能是一种能够做波浪式运动的流体,光的不同颜色可能是波动频率不同的结果。
  格里马迪实则成了光的“波动说”最早的倡导者。胡克在重复了格里马迪的实验,自己又对肥皂泡膜上的颜色进行观察后,提出了“光是‘以太’(ether)的一种纵向波”的假说。
  爱因斯坦假说“一统江湖”
  笛卡儿和胡克关于光的性质的观点,很快就被荷兰著名的数学家、物理学家和天文学家克里斯蒂安·惠更斯所借鉴并加以发挥。
  惠更斯提出:光是一种机械振荡波,波面上的各点本身就是引起媒介物质振动的波源。荷载光波的媒介物质(以太)应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质之中。1678年,惠更斯向法国皇家科学院提交了他的光学论著《光论》。此书系统地阐述了光的波动理论。
  孤傲的牛顿自然不会轻易认“输”。不过,为了避免那位一直跟他过不去的胡克的纠缠(后来这对互相敌视的冤家还为引力定律等争吵多年),他一度没有公开他的光学研究进展。1704年,即胡克去世的第二年,牛顿才出版了他的《光学》一书。书中他陈述了波动说的几种不足:
  波动说不能很好地解释光的直线传播和光在方解石中的双折射现象;波动说依赖于介质的存在,可并没有什么证据表明天空中确有这样的介质。
  进入19世纪后,微粒说与波动说之争又现波澜。
  英国物理学家和内科医生托马斯·杨在1800年左右做了一个实验:让光从一个很小但很亮的光源射出,再经过两个极窄的矩形裂口到达一块屏幕上。如果光是由粒子构成的话,那么,屏幕上的光应该是两个矩形的小光圈。
  然而,杨发现的却是明暗相间的黑白条纹。这些光带,正是大约140年前格里马迪曾注意到的那种绕角衍射引起的,而微粒说对此并不能做出解释。
  之后,杨在《关于光与声的实验和问题》的论文中提出了否定微粒说的几个理由:第一,强光和弱光源所发出的光线有同样的速度,这用微粒说不好解释;第二,光线由一种介质进入另一种介质时,一部分被反射,而另一部分被折射,用微粒说解释也很牵强。
  一时间,微粒说被逼到了死角。
  可是,1808年,法国物理学家路易斯·马吕斯无意中发现了光的偏振现象(光波在某一特定的平面上振动),而被视为纵波的光,是不可能发生这样的偏振的。这一发现即刻成了反对波动说的有力证据。
  随后,杨经过进一步研究,提出光是一种横波,并借此成功地解释了光的偏振现象,波动说才得以摆脱困境。
  1864年,英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦提出了电磁波的概念和一个新的理论——“场论”,推测“光本身(包括辐射热和其他辐射)是一种电磁干扰,它是波的形式,并按照电磁定律通过电磁场传播”。
  随着光的电磁理论的建立、检验以太理论的“迈克耳孙-莫雷实验”以失败告终,及至爱因斯坦的狭义相对论在20世纪初问世,以太终于退出了科学舞台。人们开始接受电磁场本身就是物质存在的一种形式的概念,而场可以在真空中以波的形式传播。
  特别是,爱因斯坦在他1905年发表的有关“光电效应”的论文中引入“光量子”(后称“光子”)概念,提出光的量子假说,认为光同时具有波动和粒子两种特性——所谓“波粒二象性”,这才真正化解了微粒说与波动说长达数百年的争执。这一理论成为量子力学发展中的一个里程碑,也为爱因斯坦赢得了1921年的诺贝尔物理学奖。
  光谱仪的发明
  光学的发展极大地推动了人类社会的进步。1859年,德国化学家罗伯特·本生与古斯塔夫·基尔霍夫一起发明了光谱仪。它可分析每一种元素所产生的独特光谱,被频繁用于化学中不同物质的识别和区分。
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