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【物理学的足迹】 1800年 杨提出光的干涉概念 精选

已有 7960 次阅读 2016-1-8 13:26 |个人分类:物理学的足迹|系统分类:科普集锦|关键词:光,光的本质,光子,实验,爱因斯坦| 实验, 光子, 爱因斯坦, 光的本质

节选自“改变世界的科学”丛书之《物理学的足迹》

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光作为自然界最为常见的一种“看得见、摸不着”的物质,长久以来都是物理学家研究和争论的核心之一,在对光的本质的逐步深入认识过程中催生了量子力学和相对论这两门伟大的基础物理进展。光,究竟是什么?它由什么组成?又是如何从基本构成体现它的特殊性质的?

早在公元前400多年,中国的墨子就曾发现光的直线传播能实现小孔成像。历史上,托勒密、达芬奇、开普勒、斯涅耳等著名科学家都对光有所研究。提出光的本质问题的是笛卡尔,他从理论上指出光可能有种解释:一是类似于微粒的物质,即可能是粒子;二是一种以“以太”为媒质的压力,即可能是波。于是,光是粒子还是波的争论在之后持续了数百年。


17-18世纪期间,牛顿用棱镜分光等实验揭示了光的颜色之谜,他坚持认为光是粒子,所有光的折射、反射现象都可以用光的微粒特性来解释。作为当时的“大学霸”之一,牛顿拥有一堆粉丝,于是光的粒子说一度统治了科学前沿。然而,总有一些科学家愿意坚持自己的意见。意大利的格里马蒂就用光的衍射实验类比水波的衍射,说明光的本质是波。而英国的胡克用肥皂泡和薄云母重复了格里马蒂的实验,也坚持了光的波动学说。但是在“学霸”牛顿的小心眼下,胡克的学说遭到了封杀,而为“波动说”扛大旗惠更斯也不久离开人世,光的“波动说”很快就在“粒子说”学派面前落于下风。


物理学毕竟是一门以实验为基础的学科,不断有新的实验结果才会说明更为本质的物理问题。直到1800-1807年,新一代“波动说”掌门人——托马斯.杨重振波动学派雄风,他首先从理论上分析光和声波以及水波都具有许多类似性质,例如衍射——通过小孔后会形成强弱不同的条纹。要证明光是波,那么必须找到波的典型特征——干涉,即两束光交汇后会发生明暗相间的条纹。就像往水池扔下两颗石子,水波相遇时会发生新的强弱变化波动模式。杨随后用著名的杨氏双缝干涉实验证明了他的观点: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。杨把实验结果解释成光和声波一样,都具有波动性,这并不完全准确(声波是纵波,光波是横波),但从根本上证实了光的“波动说”。后来,在物理学家菲涅尔、夫琅和费、施维尔德、法拉第、麦克斯韦、赫兹等人的不断探索下,人们已经认识到光的波动特征,并发现可见光其实只是电磁波谱的一部分。

随着物理学的发展,光是粒子还是波的争论远没有结束,无数实验和理论研究为该问题展开了大讨论。20世纪初,瑞士专利局的一位小职员从光电效应出发,说明光其实还是一种粒子,而后他又从人们寻找光的波动载体——以太的实验认识到光速不变原理,从而导出了相对论。这位小职员叫阿尔伯特.爱因斯坦,新一代物理大神和新的物理学就因光的本质问题而孕育!


【丛书简介】

“改变世界的科学”丛书是针对青少年编著的一套大型科普图书,含数学、物理学、化学、天文学、地学、生物学、医学、农学、计算机科学等9个分册,以编年体的形式呈现,图文并茂地叙说人类历史上20 000年来最重大的科学发现。本丛书为上海市“十二五”重点图书。

丛书各分册均按照时间顺序来回顾、概括人类的科学活动,以科学发现的历史为主,兼及科学机构的兴衰、科学教育的发展、科学社团的变迁等。丛书通俗易懂,对于青少年了解科学知识、领悟科学方法、弘扬科学精神,乃至对于提高国民的整体科学文化素养,都将起到积极的促进作用。






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