自曝pp的999个理for冬瓜妹

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当黑暗的中世纪过去之后，人们对自然世界有了进一步的认识。波动现象被深入地了解和 研究，声音是一种波动的认识也逐渐为人们所接受。人们开始怀疑：既然声音是一种波， 为什么光不能够也是波呢？十七世纪初，笛卡儿（Des Cartes）在他《方法论》的三个附 录之一《折光学》中率先提出了这样的可能：光是一种压力，在媒质里传播。不久后，意 大利的一位数学教授格里马第（Francesco Maria Grimaldi）做了一个实验，他让一束光 穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像。格里马 第马上联想起了水波的衍射（这个大家在中学物理的插图上应该都见过），于是提出：光 可能是一种类似水波的波动，这就是最早的光波动说。

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波动说认为，光不是一种物质粒子，而是由于介质的振动而产生的一种波。我们想象一下 水波，它不是一种实际的传递，而是沿途的水面上下振动的结果。光的波动说容易解释投 影里的明暗条纹，也容易解释光束可以互相穿过互不干扰。关于直线传播和反射的问题， 人们很快就认识到光的波长是很短的，在大多数情况下，光的行为就犹同经典粒子一样。 而衍射实验则更加证明了这一点。但是波动说有一个基本的难题，那就是任何波动都需要 有介质才能够传递，比如声音，在真空里就无法传播。而光则不然，它似乎不需要任何媒 介就可以任意地前进。举一个简单的例子，星光可以穿过几乎虚无一物的太空来到地球， 这对波动说显然是非常不利的。但是波动说巧妙地摆脱了这个难题：它假设了一种看不见 摸不着的介质来实现光的传播，这种介质有一个十分响亮而让人印象深刻的名字，叫做“ 以太”

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以太最初是作为光波媒介的假设而提出的。但“以太”一词的 由来则早在古希腊：亚里士多德在《论天》一书里阐述了他对天体的认识。他认为日月星 辰围绕着地球运转，但其组成却不同与地上的四大元素水火气土。天上的事物应该是完美 无缺的，它们只能由一种更为纯洁的元素所构成，这就是亚里士多德所谓的“第五元素” ——以太（希腊文的αηθηρ）。而自从这个概念被借用到科学里来之后，以太在历史 上的地位可以说是相当微妙的，一方面，它曾经扮演过如此重要的角色，以致成为整个物 理学的基础；另一方面，当它荣耀不再时，也曾受尽嘲笑。虽然它不甘心地再三挣扎，改 换头面，赋予自己新的意义，却仍然逃不了最终被抛弃的命运，甚至有段时间几乎成了伪 科学的专用词。但无论怎样，以太的概念在科学史上还是占有它的地位的，它曾经代表的 光媒以及绝对参考系，虽然已经退出了舞台，但直到今天，仍然能够唤起我们对那段黄金 岁月的怀念。它就像是一张泛黄的照片，记载了一个贵族光荣的过去。今天，以太（Ethe r）作为另外一种概念用来命名一种网络协议（Ethernet），看到这个词的时候，是不是 也每每生出几许慨叹？
向以太致敬。

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关于光究竟是什么的问题，在十七世纪中期有了两种可能的假设：微粒说和波 动说。
然而在一开始的时候，双方的武装都是非常薄弱的。微粒说固然有着悠久的历史，但是它 手中的力量是很有限的。光的直线传播问题和反射折射问题本来是它的传统领地，但波动 方面军队在发展了自己的理论后，迅速就在这两个战场上与微粒平分秋色。而波动论作为 一种新兴的理论，格里马第的光衍射实验是它发家的最大法宝，但它却拖着一个沉重的包 袱，就是光以太的假设，这个凭空想象出来的媒介，将在很长一段时间里成为波动军队的 累赘。
两支力量起初并没有发生什么武装冲突。在笛卡儿的《方法论》那里，他们还依然心平气 和地站在一起供大家检阅。导致“第一次微波战争”爆发的导火索是波义耳（Robert Boyle，中学里学过波马定律的朋友一定还记得这个讨厌的爱尔兰人？）在1663年提出的 一个理论。他认为我们看到的各种颜色，其实并不是物体本身的属性，而是光照上去才产 生的效果。这个论调本身并没有关系到微粒波动什么事，但是却引起了对颜色属性的激烈 争论。
在格里马第的眼里，颜色的不同，是因为光波频率的不同而引起的。他的实验引起了胡克 （Robert Hooke）的兴趣。胡克本来是波义耳的实验助手，当时是英国皇家学会的会员， 同时也兼任实验管理员。他重复了格里马第的工作，并仔细观察了光在肥皂泡里映射出的 色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉。根据他的判断，光必定是某种快速的脉冲，于是 他在1665年出版的《显微术》（Micrographia）一书中明确地支持波动说。《显微术》这 本著作很快为胡克赢得了世界性的学术声誉，波动说由于这位大将的加入，似乎也在一时 占了上风。

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然而不知是偶然，还是冥冥之中自有安排，一件似乎无关的事情改变了整个战局的发展。

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1672年，一位叫做艾萨克•牛顿的年轻人向皇家学会评议委员会递交了一篇论文， 名字叫做《关于光与色的新理论》。牛顿当时才30岁，刚刚当选为皇家学会的会员。这是 牛顿所发表的第一篇正式科学论文，其内容是关于他所做的光的色散实验的，这也是牛顿 所做的最为有名的实验之一。实验的情景在一些科学书籍里被渲染得十分impressive：炎 热难忍的夏天，牛顿却戴着厚重的假发呆在一间小屋里。四面窗户全都被封死了，屋子里 面又闷又热，一片漆黑，只有一束亮光从一个特意留出的小孔里面射进来。牛顿不顾身上 汗如雨下，全神贯注地在屋里走来走去，并不时地把手里的一个三棱镜插进那个小孔里。 每当三棱镜被插进去的时候，原来的那束白光就不见了，而在屋里的墙上，映射出了一条 长长的彩色宽带：颜色从红一直到紫。牛顿凭借这个实验，得出了白色光是由七彩光混合 而成的结论。

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然而在这篇论文中，牛顿把光的复合和分解比喻成不同颜色微粒的混合和分开。胡克和波 义耳正是当时评议会的成员，他们对此观点进行了激烈的抨击。胡克声称，牛顿论文中正 确的部分（也就是色彩的复合）是窃取了他1665年的思想，而牛顿“原创”的微粒说则不 值一提。牛顿大怒，马上撤回了论文，并赌气般地宣称不再发表任何研究成果。

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但是，一方面因为胡克的名气，另一方面也因为牛顿的注意力更多地转移到了运动学和力 学方面，牛顿暂时仍然没有正式地全面论证微粒说（只是在几篇论文中反驳了胡克）。而 这时候，波动方面军开始了他们的现代化进程——用理论来装备自己。荷兰物理学家惠更 斯（Christiaan Huygens）成为了波动说的主将。

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惠更斯在数学理论方面是具有十分高的天才的，他继承了胡克的思想，认为光是一种在以 太里传播的纵波，并引入了“波前”的概念，成功地证明和推导了光的反射和折射定律。 他的波动理论虽然还十分粗略，但是所取得的成功却是杰出的。当时随着光学研究的不断 深入，新的战场不断被开辟：1665年，牛顿在实验中发现如果让光通过一块大曲率凸透镜 照射到光学平玻璃板上，会看见在透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环条纹，也 就是著名的“牛顿环”（对图象和摄影有兴趣的朋友一定知道）。到了1669年，丹麦的巴 塞林那斯(E.Bartholinus)发现当光在通过方解石晶体时，会出现双折射现象。惠更斯将 他的理论应用于这些新发现上面，发现他的波动军队可以容易地占领这些新辟的阵地，只 需要作小小的改制即可（比如引进椭圆波的概念）。1690年，惠更斯的著作《光论》（Tr aite de la Lumiere）出版，标志着波动说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点。

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不幸的是，波动方面暂时的得势看来注定要成为昙花一现的泡沫。因为在他们的对手那里 站着一个光芒四射的伟大人物：艾萨克•牛顿先生（而且马上就要成为爵士）。这 位科学巨人——不管他是出于什么理由——已经决定要给予波动说的军队以毫不留情的致 命打击。为了避免再次引起和胡克之间的争执，导致不必要的误解，牛顿在战术上也进行 了精心的安排。直到胡克去世后的第二年，也就是1704年，牛顿才出版了他的煌煌巨著《 光学》（Opticks）。在这本划时代的作品中，牛顿详尽地阐述了光的色彩叠合与分散， 从粒子的角度解释了薄膜透光，牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象。他驳斥了波动理 论，质疑如果光如同声波一样，为什么无法绕开障碍物前进。他也对双折射现象进行了研 究，提出了许多用波动理论无法解释的问题。而粒子方面的基本困难，牛顿则以他的天才 加以解决。他从波动对手那里吸收了许多东西，比如将波的一些有用的概念如振动，周期 等引入微粒论，从而很好地解答了牛顿环的难题。在另一方面，牛顿把粒子说和他的力学 体系结合在了一起，于是使得这个理论顿时呈现出无与伦比的力量。

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我们都知道，普通的物质是具有累加性的，一滴水加上一滴水一定是两滴水，而不会一起 消失。但是波动就不同了，一列普通的波，它有着波的高峰和波的谷底，如果两列波相遇 ，当它们正好都处在高峰时，那么叠加起来的这个波就会达到两倍的峰值，如果都处在低 谷时，叠加的结果就会是两倍深的谷底。但是，等等，如果正好一列波在它的高峰，另外 一列波在它的谷底呢？
答案是它们会互相抵消。如果两列波在这样的情况下相遇（物理上叫做“反相”），那么 在它们重叠的地方，将会波平如镜，既没有高峰，也没有谷底。这就像一个人把你往左边 拉，另一个人用相同的力气把你往右边拉，结果是你会站在原地不动。
托马斯•杨在研究牛顿环的明暗条纹的时候，被这个关于波动的想法给深深打动了 。为什么会形成一明一暗的条纹呢？一个思想渐渐地在杨的脑海里成型：用波来解释不是 很简单吗？明亮的地方，那是因为两道光正好是“同相”的，它们的波峰和波谷正好相互 增强，结果造成了两倍光亮的效果（就好像有两个人同时在左边或者右边拉你）；而黑暗 的那些条纹，则一定是两道光处于“反相”，它们的波峰波谷相对，正好互相抵消了（就 好像两个人同时在两边拉你）。这一大胆而富于想象的见解使杨激动不已，他马上着手进 行了一系列的实验，并于1801年和1803年分别发表论文报告，阐述了如何用光波的干涉效 应来解释牛顿环和衍射现象。甚至通过他的实验数据，计算出了光的波长应该在1/36000 至1/60000英寸之间。
在1807年，杨总结出版了他的《自然哲学讲义》，里面综合整理了他在光学方面的工作， 并在里面第一次描述了他那个名扬四海的实验：光的双缝干涉。后来的历史证明，这个实 验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个实验之列，而在今天，它已经出现在每一本 中学物理的教科书上。

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原帖由 dqzh1985 于 2006-3-31 11:39 发表
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善心有善报

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杨的实验手段极其简单：把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形成了一个 点光源（从一个点发出的光源）。现在在纸后面再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两 道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替 的条纹，这就是现在众人皆知的干涉条纹。
杨的著作点燃了革命的导火索，物理史上的“第二次微波战争”开始了。波动方面军在经 过了百年的沉寂之后，终于又回到了历史舞台上来。但是它当时的日子并不是好过的，在 微粒大军仍然一统天下的年代，波动的士兵们衣衫褴褛，缺少后援，只能靠游击战来引起 人们对它的注意。杨的论文开始受尽了权威们的嘲笑和讽刺，被攻击为“荒唐”和“不合 逻辑”，在近20年间竟然无人问津。杨为了反驳专门撰写了论文，但是却无处发表，只好 印成小册子，但是据说发行后“只卖出了一本”。
不过，虽然高傲的微粒仍然沉醉在牛顿时代的光荣之中，一开始并不把起义的波动叛乱分 子放在眼睛里。但他们很快就发现，这些反叛者虽然人数不怎么多，服装并不那么整齐， 但是他们的武器却今非昔比。在受到了几次沉重的打击后，干涉条纹这门波动大炮的杀伤 力终于惊动整个微粒军团。这个简单巧妙的实验所揭示出来的现象证据确凿，几乎无法反 驳。无论微粒怎么样努力，也无法躲开对手的无情轰炸：它就是难以说明两道光叠加在一 起怎么会反而造成黑暗。而波动的理由却是简单而直接的：两个小孔距离屏幕上某点的距 离会有所不同。当这个距离是波长的整数值时，两列光波正好互相加强，就形成亮点。反 之，当距离差刚好造成半个波长的相位差时，两列波就正好互相抵消，造成暗点。理论计 算出的明亮条纹距离和实验值分毫不差。

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在节节败退后，微粒终于发现自己无法抵挡对方的进攻。于是它采取了以攻代守的战略。 许多对波动说不利的实验证据被提出来以证明波动说的矛盾。其中最为知名的就是马吕斯 （Etienne Louis Malus）在1809年发现的偏振现象，这一现象和已知的波动论有抵触的 地方。两大对手开始相持不下，但是各自都没有放弃自己获胜的信心。杨在给马吕斯的信 里说：“……您的实验只是证明了我的理论有不足之处，但没有证明它是虚假的。”
决定性的时刻在1819年到来了。最后的决战起源于1818年法国科学院的一个悬赏征文竞赛 。竞赛的题目是利用精密的实验确定光的衍射效应以及推导光线通过物体附近时的运动情 况。竞赛评委会由许多知名科学家组成，这其中包括比奥（J.B.Biot）、拉普拉斯（Pier re Simon de Laplace）和泊松（S.D.Poission），都是积极的微粒说拥护者。组织这个 竞赛的本意是希望通过微粒说的理论来解释光的衍射以及运动，以打击波动理论。
但是戏剧性的情况出现了。一个不知名的法国年轻工程师——菲涅耳（Augustin Fresnel，当时他才31岁）向组委会提交了一篇论文《关于偏振光线的相互作用》。在这 篇论文里，菲涅耳采用了光是一种波动的观点，但是革命性地认为光是一种横波（也就是 类似水波那样，振子作相对传播方向垂直运动的波）而不像从胡克以来一直所认为的那样 是一种纵波（类似弹簧波，振子作相对传播方向水平运动的波）。从这个观念出发，他以 严密的数学推理，圆满地解释了光的衍射，并解决了一直以来困扰波动说的偏振问题。他 的体系完整而无缺，以致委员会成员为之深深惊叹。泊松并不相信这一结论，对它进行了 仔细的审查，结果发现当把这个理论应用于圆盘衍射的时候，在阴影中间将会出现一个亮 斑。这在泊松看来是十分荒谬的，影子中间怎么会出现亮斑呢？这差点使得菲涅尔的论文 中途夭折。但菲涅耳的同事阿拉果（François Arago）在关键时刻坚持要进行实 验检测，结果发现真的有一个亮点如同奇迹一般地出现在圆盘阴影的正中心，位置亮度和 理论符合得相当完美。

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菲涅尔理论的这个胜利成了第二次微波战争的决定性事件。他获得了那一届的科学奖（Gr and Prix），同时一跃成为了可以和牛顿，惠更斯比肩的光学界的传奇人物。圆盘阴影正 中的亮点（后来被相当有误导性地称作“泊松亮斑”）成了波动军手中威力不下于干涉条 纹的重武器，给了微粒势力以致命的一击。起义者的烽火很快就燃遍了光学的所有领域， 把微粒从统治的地位赶了下来，后者在严厉的打击下捉襟见肘，节节溃退，到了19世纪中 期，微粒说挽回战局的唯一希望就是光速在水中的测定结果了。因为根据粒子论，这个速 度应该比真空中的光速要快，而根据波动论，这个速度则应该比真空中要慢才对。
然而不幸的微粒军团终于在1819年的莫斯科严冬之后，又于1850年迎来了它的滑铁卢。这 一年的5月6日，傅科（Foucault，他后来以“傅科摆”实验而闻名）向法国科学院提交了 他关于光速测量实验的报告。在准确地得出光在真空中的速度之后，他也进行了水中光速 的测量，发现这个值小于真空中的速度。这一结果彻底宣判了微粒说的死刑，波动论终于 在100多年后革命成功，登上了物理学统治地位的宝座。在胜利者的一片欢呼声中，第二 次微波战争随着微粒的战败而宣告结束。