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光是什么?该怎么定义呢?

什么是光?凭借我多年的积累和孜孜不倦的钻研,我很负责的说:我不知道。就这么任性!然而有比我还任性的,《圣经》上说:“上帝说,要有光于是就有了光。”如果光真是任性的上帝发明的,那么他老人也给人类发现其中奥秘留下了破绽——昼夜交替。虽然我不知道人类研究光从什么时候开始,但是我坚信人类肯定从晚上看不见东西开始产生疑惑的。

话说小明有个科学家朋友,叫达文西,他研制出一个手电筒,当有光照到这个手电筒时,它就会亮。

“那么没有光照到它呢?”

“绝对不亮。”

“......”

故事虽然出现脱裤子放屁——多此一举的逻辑问题,但是在古代不乏有这样的思考,古人(未必只有古希腊人)认为人能看见东西是因为从眼睛里发出光,照到物体上。

“那么漆黑的夜里为什么看不见呢?”

“可能或许大概是因为没有光照到眼睛里吧?”

这个悖论存在了很多年,直到古罗马时期的卢克莱修(约公元前99-约公元前55年,中国汉武帝末期),他认为眼睛不发光,是光从光源直接到达眼睛,由于当时他名气不大,所以其学说没有盛行。这个学说也存在问题,比如在光的情况下看到的自己的手,但是没有光源时,则看不到。这说明光不是有光源直达眼睛的。

到了公元1000年左右,阿拉伯人海什木(公元965年-1040年,北宋于960年建国),他发展了光学理论:眼睛看到物体是由于光源照射到物体上,然后由物体反射到眼睛上。他还专门做了实验——小孔成像。虽然早在中国早在墨子时代就有小孔成像的实验,但是墨子说明了现象并没有解释原因,所以小孔成像的版权当属阿拉伯人所有。在小孔成像中,光直线传播后形成一个倒立的像,人们似乎可以看到光的传播路径,从而证明海什木观点。小孔成像不过是诸多实验中的一个,他经常用实验来证明论断,这也为他赢得了“人类第一个科学家”的美誉。

尽管没有搞清楚眼睛与光的问题,依然不妨碍古希腊人研究光的一些普通的现象——折射与反射。

古希腊几何大师欧几里得(前330-前275)研究了平面镜反射成像原理,反射角与入射角相等的规律;天文学家托勒密也研究过光的折射现象,是第一个测量入射角和折射角的人。

转眼间就到了伽利略时代,那时候荷兰人已经用凹凸镜制成了望远镜,而且伽利略和开普勒都有一副自己发明的望眼镜,其原理就是光通过透镜时发生折射。他们都对光的折射有一定的研究。开普勒提出了入射角和折射角的比例关系,虽然不很精确。

此后,荷兰人斯涅耳(1580年-1626)在1621年得出最正确的入射角与折射角关系式,正确到后来出现在中学的教科书中。笛卡尔在此基础上引入正弦余弦表述式。斯涅耳还用光的折射解释了物体漂移的现象。

然而说了这么多,还没有说清楚光到底是什么?在古希腊人看来,光是一个个小小的颗粒,这种小颗粒以极快的速度沿着直线传播,遇到物体会反射、越到透明或者半透明物体会折射。然而却有个问题无法解释——光的衍射。

意大利数学家格里马第(1618-1663) 看到一个很诡异的现象:点光源照到木杆上,木杆的影子比预期的要宽,这说明光不是按照直线传播的,至少不是完全按照直线传播。1655年,他做了一个点光源的衍射实验,居然和水波的衍射一样。所以他认为光是一种波,和水波类似。由此酝酿出一场几百年的战争——波粒战争。

格里马第的实验引起了英国科学家胡克的注意。罗伯特·胡克(1635年-1703),英国伟大的科学家,发明家。胡克为我们所熟悉是因为以他命名的胡克定律,也就是弹簧的弹性定律。实际上这只是他为人类贡献的一下部分,他还发明了复杂且清晰的显微镜,让人类肉眼第一次看到植物细胞。当他知道格里马第的实验后,开始研究肥皂泡泡上的颜色,他判断光是一种速度很快的纵波,就像吹气球一样向外扩散,一波一波又一波的,光的颜色由频率决定。这一系列的发现、发明把他推到了皇家科学院院长的宝座。显然他不是等闲之辈。只是和他结下梁子的是强大的牛顿。

1671年,牛顿根据光的色散实验,向皇家科学院提交了报告,这个理论显然和胡克有很大的出入。他们由此交恶。同时善于研究力学的牛顿,坚持光的微粒说,因为微粒受力符合牛顿力学定律,而且传输不需要媒介,这点正是波动学说做不到的。波粒战争正是开始了。

这个时候,荷兰科学家惠更斯站了出来。1678年,他明确反对牛顿的观点,同时又对胡克的波动说进行了改造。他认为光源把微粒传给周边物质“以太”,在以每个受激的“以太”粒子为中心,向四周碰撞,由于“以太”是刚性的小球,所以 “以太”粒子本身不前进,但是能像四面八方传递波,为此他还提出了光波面的概念,从宏观上看,他的传播方式有点像胡克的吹气球。这套理论在当时是很完美的,能解释光的折射、衍射等现象。

牛顿的“微粒说”与惠更斯的“波动说”终于展开了激烈的角逐,这是一场旷日持久的拉锯战,不过最终以牛顿的“微粒说”胜利而告终,胜利的原因并不是因为实验证据,而是因为牛顿在学术界的权威。谁让他的名望太高,成就太大呢?但是“波动学说”则表示这事不算完。

说话间,一个世纪又过去了,英国物理学家托马斯·杨(1773-1829)对牛顿的光学理论产生了怀疑。怀疑的起点是,他把光和声进行类比,因为二者在重叠后都有加强或减弱的现象。其实就是波的干涉现象。1801年,托马斯·杨进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象,从而证明了光是一种波。他把实验结果告诉了牛顿的忠实粉丝阿拉果,阿拉果彻底别实验折服,成为站在“波动学说”一边。

到了1815年,法国物理学家菲涅耳1788~1827,试图恢复惠更斯的波动学说,但是没有进展,因为他还不知道托马斯杨的实验。“叛变过来”的阿拉果告诉他该实验及其结果,并告诉他托马斯杨已经证实光是一种横波了。于是菲涅耳和阿拉果一道,建立光波的传播理论。

波粒战争再次被唤醒了,虽然在这100多年,微粒派没有什么惊人的实验结果,然而这千万不能忽略的影响力,所以波粒只能打个平手。

这个时候的科学家,大部分多少在研究时髦的电磁学。其中就包括麦克斯韦、赫兹等等。终于由麦克斯韦预言、赫兹证实光是一种电磁波之后,宣告第二次波粒战争以波动学说的胜利而告终。到目前为止,似乎没有人在异议光是一种波了。然而该怎么玩转这种波呢?

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