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日志

 
 

方舟子:光的真理   

2013-07-15 11:00:05|  分类: 好文章强力推荐 |  标签: |举报 |字号 订阅

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光的真理

作者:方舟子

“惠更斯”号探测器在太空飞行了7年多之后,近日成功登陆土星最大
的卫星土卫六,引起全球注目。这颗卫星是荷兰科学家惠更斯于1655年发现
的,所以这个探测器以他的名字命名。惠更斯是科学史上罕见的天才,除了
发现土卫六,还发现土星光环、离心力定理、动量守恒定律,创建了概率论,
发明了摆钟,首次提出其他星系上也有行星和生命,并为此写了一本书!

惠更斯最著名的科学贡献,是为光的波动学说奠定了理论基础。光是什
么?古希腊自然哲学家就已经在思考这个问题了。最直观的答案是:光是由
极细小的微粒组成的。这可以很容易地解释一些光学现象:光微粒的运动速
度极快,所以光做直线传播;光线反射是由于光微粒碰撞反射面引起的;光
从一种媒介进入另一种媒介(例如从空气进入水)时会发生折射,是因为光
微粒在不同媒介的运动速度不同。与惠更斯同时代的牛顿就是光的微粒学说
的集大成者,认为光微粒遵循他发现的三大运动定律。牛顿发现阳光是
由不同颜色的光混合而成的,他认为不同质量的光微粒产生了不同颜色的光,
这些光微粒混合在一起,就变成了白光。

但是此前,意大利数学家格里马第已经注意到,让一束光穿过两个小孔,
其投影的边缘出现明暗条纹。他联想到水波的衍射,提出光可能是一种波,
不同颜色的光是由于光波的频率不同引起的。但是怎么用波动来解释光的反
射和折射呢?惠更斯提出了一个后来被称为“惠更斯原理”的学说阐明波面
在媒体中的传播性质,在此基础上用作图法巧妙地解决了这些问题。

牛顿的死对头胡克也支持波动学说。牛顿刚提出微粒学说时,备受胡克
的讥讽,声称牛顿学说正确的部分是剽窃他的,其他部分则荒诞不经。牛顿
一气之下不再发表光学著作,等到胡克死后,才出版《光学》一书,全面论
述微粒学说,构建了一个相当精致的体系。这时候惠更斯也已经死了,没有
人能和牛顿唱对台戏。由于牛顿的权威,微粒学说被普遍接受,毕竟,这个
巨人在那么多科学问题上都对了,这一个想必也不会错吧?

牛顿死后70多年,才有人试图复兴惠更斯的波动学说。英国物理学家托
马斯·杨、法国物理学家菲涅耳用干涉实验证明了光是一种波。不过,对牛
顿微粒学说的致命一击发生于1850年。牛顿和惠更斯的学说都能解释光的折
射现象,但是有一个重大差别:牛顿学说认为光从空气进入水发生折射,是
因为光微粒在水中的运动速度比较快;而惠更斯学说恰恰相反,认为是由于
光波在水中传播速度比较慢导致的。当时人们还没有办法精确地测量光速,
不能验证谁对谁错。1850年,条件成熟了。法国物理学家傅科用实验证明了
水让光速变慢,牛顿的学说被推翻了。

此后,麦克斯韦建立电磁学,认为光就是一定频率范围内的电磁波,赫
兹用实验证实了这个预见。波动学说取得了全面的胜利。但是赫兹同时也证
实了光电效应,即在光的照射下物体会释放出电子,这是波动学说没法解释
的。为了解决这个问题,爱因斯坦提出光的发射和吸收都采取量子的形式,
光波是由光子组成的,光具有波和粒子二重性质。

这给人的印象似乎牛顿也没有错。经常有人在争论问题时引用这个所谓
“波粒二像性”来说明真理不止一个,大家争来争去可能只是看到了问题的
不同一面,最终会统一起来,证明大家都对。这个观点是错误的。爱因斯坦
的光子和牛顿的微粒除了都是粒子之外,并无任何相同之处。光子不是牛顿
所描绘的那种遵循经典力学运动定律的微粒。牛顿对光的反射、折射、衍射、
颜色等等光学现象的解释都是错误的,波动学说才是正确的。在光的问题上,
真理仍然只有一个。

2005.1.21.

(中国青年报2005.2.2)




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