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今天是王木頭講科學的第13期節(jié)目。
來自北京大學的木頭哥哥是把科學帶回家的明星主持人，他最擅長給孩子講有趣的科學。
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先勝后敗的光粒子學說
來自把科學帶回家
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光到底是粒子還是波，這個問題爭論了上千年。在300多年前誕生了一位科學家，他險些終止這個爭論，差點就讓光粒子說獲勝。這位光粒子學說的英雄是誰呢？說出來大家一定都非常的熟悉了，那就是牛頓。
牛頓在當時人們心中偉大的程度，我們現(xiàn)在可能是無法理解的。因為我們說到牛頓，總是要想到另外一位偉大的科學家愛因斯坦?？赡苣氵€知道，愛因斯坦在某種程度上顛覆了牛頓的物理學。給人的感覺好像是牛頓也沒有什么了不起的，他的理論也沒有非常完美，最后還是被人找出了漏洞。
你可能并不清楚，牛頓提出的萬有引力定律和運動三大定律，給當時的人帶來了怎么樣的轟動。從前人們認為世界是神秘的，很多事情只有上帝能明白。而這一次，人們只要使用牛頓的規(guī)律就可以解釋世間萬物。這是用人類自己的聰明才智做到的，根本沒有上帝什么事情。
也正是牛頓，后來人類社會才會很快地出現(xiàn)了科技大爆發(fā)。即使到了現(xiàn)在，牛頓的理論依然是我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｓ玫?。不論是汽車運行，還是火箭飛行都可以用牛頓的物理學做出精確的指導。愛因斯坦的相對論雖然更全面，但是更抽象更復(fù)雜，很少在日常生活中會使用到。這樣也就不會感覺到意外了，2005年英國皇家學會做了一個調(diào)查，評選出科學史上最有影響力的人，牛頓就被認為比愛因斯坦更具有影響力。
牛頓聰明才智也的確配得上他的偉大。不只是在運動和力的研究上，在其他很多方面牛頓都做出了很多偉大的貢獻。比如在數(shù)學中，他就發(fā)明了微積分的方法，這可是現(xiàn)在大學生非常頭痛的一門數(shù)學課；在光學中，牛頓設(shè)計和制作了第一臺反射望遠鏡，這種望遠鏡里面沒有傳統(tǒng)的凸透鏡或是凹透鏡，使用一個有弧度的鏡子進行聚光；它還發(fā)現(xiàn)了太陽光經(jīng)過三棱鏡可以分成五顏六色的光。下面這張圖就可以很好地概括出牛頓在科學上的貢獻。
以上這些科學研究和發(fā)現(xiàn)，放到任何一個其他科學家身上可能都需要花一輩子的時間來研究。而牛頓卻只拿出了三分之一的精力就做出了這些成果。其他更多的時間他拿來研究神學和煉金術(shù)了?？上攵ｎD是多么的聰明。
花了這么多功夫來說明牛頓是如何偉大、是如何聰明，其實是想讓大家理解當時人們對牛頓的信任。在當時就是這樣，牛頓認為光是粒子的，那幾乎是不敢有人反對的。也正是這樣，當時另外一位科學家的研究被埋沒了，他在光的波動學說上的研究現(xiàn)在來看更準確更有意義?？墒撬懿恍业睾团ｎD在同一時代。人們太盲目地相信牛頓了。直到100多年后托馬斯·楊做出了有名的雙縫干涉實驗，才用事實驗證了這位科學家的學說，讓光是種波這個理論站穩(wěn)了腳跟。
這位科學家就是惠更斯。他不論是在數(shù)學上還是在物理上都做出了非常大的貢獻。他同樣也是一位天文學家，是他通過望遠鏡第一個確定了土星是有光環(huán)的，并且還發(fā)現(xiàn)了土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六。所以美國的科學家就把人類第一個著陸土衛(wèi)六的探測器叫做惠更斯探測器。當年它就是被有名的卡西尼號土星探測器一起帶到土星附近的。
用我們現(xiàn)在的眼光來看惠更斯，他同樣是一位偉大的科學家，只可惜被覆蓋在了牛頓的光環(huán)下。所以他有關(guān)光線的研究被很多人忽略了。他在光線上的研究最大的貢獻是能用數(shù)學來為光線的各種現(xiàn)象做出合理的解釋，而且這個前提就是必須把光線當做波才可以。凡是可以用數(shù)學描述的現(xiàn)象都會是非常精確的。在之前，我們只能知道光可以反射可以折射，但是反射的角度是多少，折射的角度是多少，它們之間是如何變化卻沒辦法做出預(yù)測?，F(xiàn)在有了惠更斯的數(shù)學描述，就可以把當時已知的光的現(xiàn)象都預(yù)測出來。
通過惠更斯的研究，以前有關(guān)光線的所有疑問都可以解答了。認為光應(yīng)該是粒子的人們主要依據(jù)有兩個，一個是光可以發(fā)生反射，就像是反彈的小球一樣。其實波也是發(fā)生反射的，不一定非要是小球才可以。如果你在水池邊撥出一道波紋的話，你會發(fā)現(xiàn)波紋碰到水池邊之后就會反彈回來。
另一個依據(jù)是，波是會發(fā)生衍射的。就像聲波可以繞過障礙物一樣，但是人們沒有發(fā)現(xiàn)光的這種情況?，F(xiàn)在有了惠更斯的數(shù)學描述就可以很清楚的知道為什么了。光也會發(fā)生衍射，只不過這個現(xiàn)象太不明顯了，肉眼幾乎發(fā)現(xiàn)不了。聲波和水波能明顯地繞過障礙物，是因為它們兩個波之間的距離，也就是波長比它較長。波長越長繞過障礙物的能力就越強。而光的波長是非常小的，小到了和分子差不多，所以光線衍射的現(xiàn)象就特別不明顯。
所以根據(jù)惠更斯的計算和預(yù)測，當時科技水平下還沒有辦法觀察到，但是以后有了更精密的儀器一定可以觀察到光的衍射現(xiàn)象。甚至，惠更斯還得出結(jié)論，光如果真的是波的話，那么光不只是會有衍射現(xiàn)象，還一定會發(fā)生干涉現(xiàn)象。而這個現(xiàn)象是無論如何都沒有辦法用光粒子說來解釋的。
波的干涉現(xiàn)象是這樣一種情況，我們可以看看下面這個圖。有兩個波如果是波峰和波峰相遇了，那么這兩個波峰在重疊的時候就會變成更大的波峰，波峰就是一個波震動的最高點。不過，這兩個波還是會按照各自的方向運行著，直到再次分開。如果兩個波是一個波峰和一個波谷，它們相遇了，那么在相遇的時候兩個波會抵消，讓它們變的更平，波谷就是一個波震動的最低點。同樣，當兩個波分開之后又各自恢復(fù)原樣，就像什么也沒有發(fā)生一樣。
如果你理解了上面的那種情況了，那么你一定能想到，干涉還有一種比較特殊的情況。就是兩個幾乎完全一樣的波相遇了，波峰一樣高，波長一樣長，那么就可能出現(xiàn)下面的兩種情況。當兩個波的波峰遇到波峰了，這兩個波就會合并成一個波峰更高的波，這個高度正好是兩個波的波峰之和。如果是正好波峰和波谷相遇了，那么兩個波的波峰和波谷就正好抵消，看上去就像是一個直線。
所有的波都有會發(fā)生干涉現(xiàn)象，不論是水波還是聲波。如果你用兩只手用同樣的速度拍打水池里的水，你會看到擴散出去的水波在遠處相遇，其中有的地方就會顯得比較平靜，這是因為這里的水波總是相互抵消；而有的地方顯得震動幅度很大，這是因為這里的水波總是相互疊加。后面會有一個視頻，大家可以看到一個水波發(fā)出去之后經(jīng)過了兩個小孔，然后向外擴散，這就相當于是你用手拍擊水面產(chǎn)生出來兩個水波。這兩個水波擴散出去之后，我們就可以在它們相遇的地方發(fā)現(xiàn)上面說的情況了，大家可以去看看。
既然光是一種波的話，那么光也應(yīng)該有這樣的現(xiàn)象。如果能做出一個實驗可以驗證光也是會發(fā)生干涉的話，那么光是波這件事就是板上釘釘?shù)氖虑榱?。這個想法雖然很早就有了，但是真的做出這樣的實驗來還要等到19世紀初，一位叫做托馬斯·楊的人做出來了名垂青史的雙縫干涉實驗。
這個實驗是用一道光源照向兩個靠得近而且還非常窄的窄縫上。如果光是波的話啊，那么光波經(jīng)過窄縫就會發(fā)生衍射向外擴散出去，就像是有了兩個一模一樣的光源。它們發(fā)出的光還會在遠處發(fā)生干涉，也會像是水波一樣，有些地方看起來很平靜，有的地方就很強烈。這樣在遠處放一個屏幕的話，就會在屏幕上因為干涉現(xiàn)象看到明暗相隔的光斑。可如果光不是波而是微粒的話，只能看微粒直直地運行打在屏幕上。會顯示出僅有兩條光斑，對應(yīng)的就是兩個細縫。
最后實驗結(jié)果是真的在屏幕上看到了明暗相隔的光斑。光是波這件事也就變得毋庸置疑了。因為牛頓的名氣而很少有人愿意挑戰(zhàn)的光微粒說，現(xiàn)在也被證明是完全錯誤的了。
惠更斯的理論贏得了勝利。但這并不是說光是什么這個話題有了最終答案。光是波，但它到底是什么波？光的微粒說是否還能最后發(fā)生大反轉(zhuǎn)贏得最后的勝利呢？我們下次再揭曉答案。
