光的故事（五）

前情提要

牛頓獲得了第一次光的波粒戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利，光的微粒說(shuō)統(tǒng)治了整整一百年，直到十九世紀(jì)開(kāi)始，事情發(fā)生了一些變化。

1773年6月，英國(guó)一個(gè)教徒家庭誕生了一個(gè)男孩，取名為托馬斯·楊。

托馬斯·楊

托馬斯·楊從一出生開(kāi)始就展現(xiàn)了他的天賦異稟，兩歲開(kāi)始閱讀各種經(jīng)典，6歲學(xué)習(xí)拉丁文，14歲就用拉丁文寫(xiě)過(guò)一篇自傳，16歲能夠說(shuō)10種語(yǔ)言。后來(lái)還破譯了許多神秘的古埃及象形文字，并為埃及學(xué)的正式創(chuàng)立做出了突出的貢獻(xiàn)，他還會(huì)演奏當(dāng)時(shí)幾乎所有樂(lè)器，如果單單說(shuō)這段經(jīng)歷，會(huì)讓人以為他是個(gè)文學(xué)天才。

羅塞塔石碑：解讀象形文字的線索

但是他其實(shí)是文理全才，他中學(xué)時(shí)讀完了牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》、拉瓦錫的《化學(xué)綱要》以及其他一些科學(xué)著作。為他打下了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

長(zhǎng)大后，受到當(dāng)醫(yī)生的叔父的影響，去倫敦學(xué)醫(yī)。1794年，他21歲，由于研究了眼睛的調(diào)節(jié)機(jī)理，成為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，放到今天相當(dāng)于21歲成了中科院院士。22歲的他去了德國(guó)的哥廷根大學(xué)繼續(xù)學(xué)醫(yī)，一年后就博士畢業(yè)了。

德國(guó)哥廷根大學(xué)

他在醫(yī)學(xué)上有很多成就，詳細(xì)研究了心臟和血管的功能，并發(fā)表了多篇論文。他還是世界上第一個(gè)研究散光的醫(yī)生，被譽(yù)為生理光學(xué)的創(chuàng)始人。在研究眼睛構(gòu)造的過(guò)程中，他開(kāi)始接觸光學(xué)上的一些基本問(wèn)題。

左為正常視力，右為散光

1800年，托馬斯.楊正式在倫敦行醫(yī)，并在行醫(yī)之余，致力于科學(xué)研究。

一年后，他做了一個(gè)名垂千史的實(shí)驗(yàn)，光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)如此經(jīng)典，以至于我們?cè)谥袑W(xué)學(xué)習(xí)物理的時(shí)候，是必學(xué)的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)有多經(jīng)典呢？

2002年的時(shí)候，美國(guó)兩位學(xué)者在全美物理學(xué)家中做了一個(gè)調(diào)查，請(qǐng)他們提名有史以來(lái)最出色的十大物理實(shí)驗(yàn)。

楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)在這十大物理實(shí)驗(yàn)里竟然占據(jù)了兩席，一個(gè)是托馬斯·楊做的原汁原味的光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，排在第五。而另一個(gè)是根據(jù)托馬斯·楊的雙縫演示應(yīng)用于電子干涉試驗(yàn)，排在榜首！因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)在量子力學(xué)上有重要意義。

世界十大經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)

1807年，托馬斯·楊總結(jié)出版了他的《自然哲學(xué)講義》，里面第一次描述了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，距離牛頓發(fā)表《光學(xué)》一書(shū)已經(jīng)過(guò)去了一百多年。

實(shí)驗(yàn)的手段非常簡(jiǎn)單：把一支蠟燭放在一張開(kāi)了一個(gè)小孔的紙前面，這樣從紙上的小孔透出來(lái)的就是一個(gè)點(diǎn)光源。在這個(gè)點(diǎn)光源后面放上一張紙，這張紙上開(kāi)了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光，穿過(guò)兩道狹縫投射到后面的屏幕上，會(huì)形成一排很有規(guī)律的明暗交替的條紋，這就是現(xiàn)在眾人皆知的干涉條紋。

楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

用微粒說(shuō)是無(wú)法解釋這個(gè)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)闆](méi)有辦法解釋為什么兩束光疊加起來(lái)反而會(huì)造成黑暗。

但是波動(dòng)說(shuō)能夠完美解釋，這在我們中學(xué)物理上有詳細(xì)的解釋。

波有波峰和波谷，如果我們讓兩個(gè)波相遇，當(dāng)兩個(gè)波的波峰或者波谷正好相遇時(shí)會(huì)相互加強(qiáng)，形成了亮帶，如果兩束波的一個(gè)波峰和一個(gè)波谷相遇時(shí)，他們會(huì)互相抵消形成了暗帶。

通過(guò)精確的數(shù)學(xué)計(jì)算，可以直接計(jì)算出明帶和暗帶出現(xiàn)的位置，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果絲毫不差。

這成為了波動(dòng)說(shuō)的大規(guī)模殺傷性武器，隱藏于地下的光的波動(dòng)說(shuō)，再一次回到了歷史舞臺(tái)，光的第二次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)就此開(kāi)啟。

但是微粒說(shuō)統(tǒng)治了一百多年，它是如此強(qiáng)大，百年來(lái)人們對(duì)牛頓構(gòu)建的這個(gè)世界基本原理深信不疑，所以楊的論文從一開(kāi)始就受到了權(quán)威們的嘲笑和諷刺。但是隨著時(shí)間的推移，干涉條紋這個(gè)大規(guī)模殺傷性武器畢竟證據(jù)確鑿，幾乎無(wú)法反駁，最終變成了繞不過(guò)去的坎。

科學(xué)之所以是科學(xué)，就在于科學(xué)是可以被證偽的，就算你是如牛頓這樣的天神般的存在，也會(huì)因?yàn)榭茖W(xué)事實(shí)被質(zhì)疑。微粒說(shuō)既然擋不住干涉條紋的質(zhì)疑，就想到了用其他實(shí)驗(yàn)去反對(duì)波動(dòng)說(shuō)，其中最知名的實(shí)驗(yàn)就是馬呂斯在1809年發(fā)現(xiàn)的偏振現(xiàn)象，這一現(xiàn)象當(dāng)時(shí)的波動(dòng)說(shuō)沒(méi)法解釋，于是戰(zhàn)局進(jìn)入了僵持，雙方都無(wú)法說(shuō)服對(duì)方。

關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在十幾年后，科學(xué)界迎來(lái)了另一個(gè)著名實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)被命名為泊松亮斑實(shí)驗(yàn)。泊松是一個(gè)著名物理學(xué)家，但是如果可以選，他一定不愿意看到自己的名字和這個(gè)實(shí)驗(yàn)綁在一起。具體原因，我們?cè)谙轮苋獾墓适吕锖痛蠹艺f(shuō)一說(shuō)這個(gè)著名的故事。

泊松