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量子和粒子物理学何以解释一切_(英)蒂姆·詹姆斯(第1章 容“光”焕发) 第(1/3)页

光的历史

量子力学从尝试理解光开始,几千年来人们为此绞尽脑汁。大约公元前5世纪,希腊哲学家恩培多克勒率先建立了光的理论。

他相信人眼中有一块奇妙的火石,由脸部向外射出光芒,从而照亮我们想看到的任何物体。[1]这个想法颇有诗意,却也存在一个明显的漏洞:如果眼睛能发光,那么我们就应该能看见黑暗中的物体,因为眼睛本身就是火炬。

也正是恩培多克勒提出了四大元素物质(火、水、风、土),这一观点已经被我们抛弃;他还认为没有躯体的四肢在世界各处爬行,直到随机结合形成各种动物,试图以此来解释生物多样性。

事实上,恩培多克勒在科学史上的工作就是提出一些疯狂的想法,然后由其他人证明这是错的。尽管在光线这个例子中,人们花了大约1, 300年才意识到这个错误。

直到阿拉伯学者海什木出现,人们才最终放弃了恩培多克勒的观点。海什木做了个实验,他解剖了一颗猪眼球,发现光线在眼腔内的反射与在暗室里是一样的,也就是说,光线来自周围的物体,而眼睛恰好阻挡了光线的路径。[2]

人类花了一千多年才确定眼睛没有发出奇妙的光线,这可能有些奇怪,但那是个不一样的时代,当时所有人都认为是人类赋予了物体存在的意义,因此人类看不见的东西不需要有外观。

幸运的是,海什木完成的实验超越了人类的自负心理,逐渐变得流行起来。人们认定,光来自物体本身,沿直线射进我们的眼睛—无论光是什么。接下来就到了文艺复兴时期。

可以说,勒内·笛卡尔是文艺复兴时期最有影响力的科学家、哲学家,他提出了关于光在物理学领域的另一个伟大想法。

笛卡尔注意到,点燃蜡烛时,房间的每一个角落同时被照亮,就像池塘中心的涟漪可以同时到达每一个边缘那样。他推断,光是一种类似的现象;我们周围各个方向都有一种看不见的物质,笛卡尔称之为“实空”,涟漪与波浪穿过“实空”就形成了光。[3]

唯一反对实空波理论的人是艾萨克·牛顿。牛顿的主要工作就是反对不如自己聪明的人(基本上是所有人)。

牛顿指出,如果光是通过某种介质的波,那它会在经过物体时弯曲,就像水波在绕过岩石时会弯曲一样。影子的边缘会因此变得模糊,但事实上影子的边界非常清晰,所以光是由粒子构成的想法更加合理。牛顿把这种粒子叫作“微粒”。[4]

光的微粒理论不可避免地超越了笛卡尔的实空波,这很大程度上是因为牛顿的名人身份,以及他凌驾于任何挑战他的人之上的缘故。

因此,如果牛顿听说一个叫托马斯·杨的人在他死后70年的时候做了个实验,并得出了相反的结论,他一定会大吃一惊。当然,这里指的是牛顿死后70年。托马斯·杨在那个实验之后很少再亲自做实验。

天才的涟漪先生

托马斯·杨有着18世纪最杰出的头脑。他破译了罗塞塔石碑,是第一个破译埃及象形文字的现代人,他可能因此而最为人熟知。托马斯·杨也最早注意到人眼中的色觉感受器,他写过几本医书,会14种语言,能演奏12种乐器,并发展了现代弹性理论。[5]

1803年,托马斯·杨的“双缝实验”真正奠定了光波理论(非常刻意的双关(1))。

我们先回想一下波浪穿过池塘的情景。想象一个有规律的脉冲波在平静的**表面移动,穿过了一个有狭缝的屏障,波平稳地移动到狭缝的另一侧,然后轻微地呈扇形散开—这个过程我们称为“衍射”。

波之所以散开,是因为波边缘的能量消散在附近的水里。从上往下看,我们得到了与下图相似的图案,其中实线表示波峰,虚线表示波谷。

现在,我们试一下有两条狭缝的屏障。同样的事情还是会发生,但这一次我们看到两条波同时衍射,最终在某个点相互叠加或相互抵消。从上往下看是这样的:


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