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    【转载】 科学史上的弄潮儿——那些和“波”有关的伟大工作(上)

    更新时间:2017-08-23 点击数:1583


    科学史上的弄潮儿——那些和“波”有关的伟大工作

     2017-07-04 TOM SIEGFRIED 


    科学无国界

    我们是知识的搬运工

    作者:TOM SIEGFRIED

    翻译:Propogator

    审校:山寺小沙弥



    物理学家就像是一群冲浪爱好者,他们对波格外感兴趣。


    当然,对冲浪爱好者来说,海洋里的波浪关乎他们在潮头的嬉戏。但对于物理学家而言,无处不在的波则关系到物理现象背后的自然机理。今年61日公布的又一次引力波探测结果,再次撩动了全世界科学爱好者们颤动的心弦。


    波一直是科学和数学领域的热门话题,从光学、热学到收音机和电视,从声谱到音乐,从地震到全系息影像,波在诸多物理过程中扮演着极为重要的角色。(以前在棒球比赛里还能看到此起彼伏的人浪,不过现场观众们恐怕并不待见这种又累又无聊的行为,所以现在已经很少见了。)


    科学界许多伟大成就实质上就是发现新的波动形式或是对于波的运动有了新的理解。要从浩瀚历史中选出10个最具代表性的和波有关的发现及思想,可谓难上加难,本文也难免会招致一些拥趸的非议。在此声明,如果您的心头所好未能上榜,那就当它排名第十一吧。。。



    10

    托马斯·杨:光的波动说



    19世纪初叶,英国物理学家托马斯·杨为一场关于光的本质的世纪之辩落下了帷幕,也正式为牛顿为首的光粒子说敲响了丧钟。杨接过了牛顿的同辈人惠更斯的衣钵,坚定地认为光在空间中以波的形式传播。


    借助一系列巧妙的实验,杨为世人展示了光具有波动性的有力证据。他在一张厚纸上钻了两个小孔,入射光穿过小孔后在纸的另一侧的平板上形成了明暗相间的条纹,光在穿过两个孔后就像水波一样发生干涉,当光波的波峰与波谷相位相同则相消形成暗纹,同理,波峰与波峰(波谷与波谷)相位相同则形成亮纹。遗憾的是,杨并未用数学语言精确地描述这一过程,也引起了牛顿拥趸者的批判。



    托马斯·杨于1807年的演讲中所用到的双缝衍射示意图


    但很快法国物理学家菲涅尔就完成了光波的数学描述。而1850年??路⑾止庠诳掌械拇ニ俣缺仍谒锌?。哪怕是最坚定的牛顿信徒也不得不向这一事实屈服。在这些证据面前,牛顿本人恐怕都得承认光是由波组成的。当然,很多年后,爱因斯坦另辟蹊径,证明光也可能是由粒子组成的,这种粒子就是光子。



    9

    迈克耳逊莫雷:光不需要传播媒介



    波是振动的传播,这意味着需要有传播介质。声波源于空气分子的振动,海浪源于水分子的振动。光波则曾被认为源于一种不可见的物质“以太”的振动。


    1887年,艾尔伯特·迈克尔逊和他的同事爱德华·莫雷设计了一次探测以太的实验。他们指出,如果我们假定地球在以太中运动,那就意味着光的速度应当与其运动方向有关。由于光源随着地球运动,光速在与光源运动方向不同的角度不可能保持不变。理论上,迈克尔逊和莫雷可以探测到光的干涉条纹随光速的改变而产生的变化,但他们的仪器并未发现任何以太存在的痕迹。谦逊的二位科学家认为是自己的实验设计还不完善。但之后爱因斯坦发现事实上以太并不存在。


    一种典型的迈克尔逊干涉仪,图中黄色部分为光路



    8

    麦克斯韦:光是一种电磁波



    麦克斯韦逝世于1879年,巧的是,这一年爱因斯坦刚刚出生,所以麦克斯韦一生都并不知道以太并不存在。虽说如此,麦克斯韦还是成功用以太中的应力解释了电与磁现象。


    麦克斯韦意识到以太中的电荷与磁荷会产生以波的形式传播的扰动,而从电磁场的强度关系(麦克斯韦方程组)可以推导出这种波的传播速度,大约为每秒31万公里,这与当时光速的测量结果(在每秒29.8~31.5万公里之间)很接近。麦克斯韦虽然没看过《海军罪案调查处》这部刑侦剧,但想必他也明白“这个世界上没有巧合”,进而推定光就是一种电磁波。


    光也是一种电磁波


    麦克斯韦于1864年写道:“我们有足够的理由断定光波,包括热辐射和其他可能存在的辐射,都是以波的形式存在,并通过电磁场传播的电磁扰动?!彼降摹捌渌赡艽嬖诘姆洹?,后来被证明是一张涵盖了所有波长的波谱,从伽马辐射到无线电波,无一例外。



    7

    海因里?!ず兆龋何尴叩绮?/p>



    一开始麦克斯韦的理论并没有引起很大的反响。但也有少数麦克斯韦的信徒致力于推广他的理论与思想。德国物理学家赫兹就是其中一员,他在卡尔斯鲁厄的实验室里成功地产生并检测到了无线电波,只可惜这项伟大的工作现在大多用于播报一些毫无意义的脱口秀。


    赫兹当年所用的无线电发射器


    赫兹的实验大大地提升了麦克斯韦电磁理论的地位,赫兹本人更是对其推崇备至,他感慨道:“在研究麦克斯韦电磁理论的过程中,一种感觉在我脑海里挥之不去:我能感觉到这些数学公式本身就具有生命与智慧,甚至比我们自身还要睿智?!蔽尴叩绮ㄊ笛樽钤绯晒τ?span style=";padding: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;word-wrap: break-word !important;font-family: Helvetica, sans-serif">1887,正是这一年迈克尔逊和莫雷的以太探测试验失败。1894年,赫兹不幸去世,所以他未能看到他的成果得到广泛应用。



    6

    约翰·米歇尔 地震波



    1755年的里斯本大地震的驱使下,英国地质学家及天文学家米歇尔开始研究地震的起因。在1760年,他注意到火山——亦即他笔下的“火焰山”——通常出现在地震频发地域的附近,米歇尔因而认为“地下火”是地震的罪魁祸首。


    米歇尔指出“地震时地下的运动部分以多种波的形式传播,并在地壳内相继传递,其传播距离远近不一?!彼昧说卣鹉炕髡叩乃捣ǎ骸暗孛嫦窈@税阌科??!焙芫弥?,在米歇尔的思想启发下,地震学家发展出了更完善的地震波理论,并借助地震波探测地球的内部构造。




    5

    威廉·伦琴:X射线



    当赫兹发现无线电波的时候,他很清楚自己在寻找的是麦克斯韦所预言的长波辐射。但在几年后,1895年,伦琴发现电磁波谱上与无线电波相对的短波辐射——这一发现完全是偶然的。


    在伦琴将阴极射线(即电子束)穿过玻璃管的时候,一种神秘的短波长射线悄无声息地出现了(也因此被命名为X射线),伦琴认为这种新的射线应当也隶属于麦克斯韦的理论框架。他写道:“这些阴影就足以说明,这种新的射线与光波之间似乎存在着某种联系?!?span style=";padding: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;word-wrap: break-word !important;font-family: Helvetica, sans-serif"> 这些阴影后来成为了医学科技革命的基础之一。


    首批X射线照片之一,图中是伦琴夫人的手


    除了用于观察受损骨骼和其它人体内部结构,X射线现已成为天文学、生物学等诸多科学领域的重要研究工具,在19世纪末,它还帮了一个大忙——打碎了物理学家对于“物理学大厦业已落成”的盲目自信。后来,研究者讶异地发现,X射线同样具备粒子性,进一步证实了爱因斯坦的光量子假说。顺带一提,X射线并非波长最短的电磁波,这一殊荣后来让位于伽马射线,也许后者能算作排行第11位的工作吧。


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