關于波的九大發(fā)現(xiàn)

出祺然

物理學家與沖浪愛好者有一個共同特點，那就是他們都認為波很有趣。除了樂趣之外，對于物理學家來說，波還是自然界的一個最為重要的物理現(xiàn)象。從熱、光、廣播和電視，再到音樂、地震和全息圖，波在很多物理過程中扮演著重要的角色。許多科學中最偉大的成就，都是關于波的新發(fā)現(xiàn)或新見解。

下面，我們列舉九個此類的發(fā)現(xiàn)，來體驗一下波的無窮魅力。

1、托馬斯·楊：光波

在18世紀，科學家對光的本質(zhì)是什么而爭論不休。艾薩克·牛頓曾強烈主張光是由非常小的粒子組成。牛頓同時代的荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯強烈反對牛頓的觀點，認為光是以波的方式傳播的。

一個世紀后，英國物理學家托馬斯·楊解決了關于光的本質(zhì)的長期爭論。他通過一系列巧妙的實驗，用強有力的證據(jù)證明了光是一種波。在一個實驗中，楊在一張厚厚的紙上戳出兩個小孔，發(fā)現(xiàn)光線穿過兩個小孔后，在紙后的另一張紙的表面上形成了一系列明、暗交替的條紋。之所以會這樣，是因為光穿過兩個孔后會像水波一樣發(fā)生干涉現(xiàn)象干擾。如果光是由粒子構(gòu)成的話，那么只會形成兩個亮斑。但是，楊沒能在數(shù)學上準確地描述光波，許多牛頓支持者仍拒絕接受楊的觀點。

但很快，法國物理學家奧古斯丁·讓·菲涅耳就詳細地計算了光如何以波的形式進行傳播。此外，按照牛頓的理論，光在水與空氣界面發(fā)生折射，是因為光粒子受到水一側(cè)的吸引。這意味著，光粒子在水中的速度必須更快。但在1850年，法國物理學家萊昂·傅科測出，光在水中傳播的速度遠低于其在空氣中的速度。于是，即使是最堅定的牛頓支持者也不得不投降。如果牛頓那時還活著的話，他也肯定會承認光是一種波。

不過在很久以后，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，光其實可以由一種被稱為光子的粒子組成。最終，物理學家意識到，光既具有波動的特性，又具有粒子的特性，這就是所謂的波粒二象性。

2、邁克爾遜和莫理：沒有以太

聲波的傳遞需要借助于空氣，水波的傳播借助于水等。受經(jīng)典力學思想影響，科學家們便假想宇宙到處都存在著一種稱之為以太的物質(zhì)，光的傳播就是借助于這種物質(zhì)的。

1887年，美國科學家阿爾伯特·邁克耳孫與愛德華·莫雷設計了一項實驗，來探測以太。因為地球以每秒約30千米的速度繞太陽運動，必須會遇到每秒約30千米的“以太風”，這會對光的傳播產(chǎn)生影響。光在地球運動方向上的傳播速度應與直角方向上的傳播速度不同。但是，他們的沒有發(fā)現(xiàn)任何以太效應。他們最初認為，實驗本身可能存在缺陷。但在后來，愛因斯坦提出，其實根本就沒有以太。

3、詹姆斯·克拉克·麥克斯韋：電磁波

英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋死于1879年，是愛因斯坦出生的那一年，所以不知道沒有以太。當時的他認為，電和磁是某種類似以太的介質(zhì)中的力。

麥克斯韋意識到，在這種介質(zhì)中，一個振蕩中的電場會產(chǎn)生振蕩的磁場，而一個振蕩中的磁場又會產(chǎn)生振蕩的電場，這些連續(xù)不斷同相振蕩的電場和磁場共同地形成了電磁波。他根據(jù)自己提出的描述電磁現(xiàn)象的方程組（麥克斯韋方程組），計算電磁波的速度可達到每秒3.1億米，與那時測得光速（每秒2.98億米到每秒3.15億米）非常接近。麥克斯韋認為，世界上沒有巧合的事情，所以他就得出了結(jié)論，認為光就是一種電磁波。

麥克斯韋在1864年寫道：“我們似乎有充分的理由得出這樣的結(jié)論，光本身（包括熱輻射和其他輻射，如果有的話）是以波的形式在在電磁場中傳播的電磁擾動?！彪S后，人們發(fā)現(xiàn)的確有很多其他的電磁波，包括了伽馬輻射、X射線、無線電波等。

4、海因里?！ず掌潱簾o線電波

沒有多少人在一開始就認真對待麥克斯韋。然而，一些物理學家很早便開始追隨麥克斯韋的步伐，并完善了他的理論。德國物理學家海因里希·赫茲就對麥克斯韋的理論信心十足，于是他在實驗室里進行了實驗。在1887年，他成功地制造并檢測到了無線電波。

他的成功使得麥克斯韋的理論贏得了更多的尊重?，F(xiàn)在，他所發(fā)現(xiàn)的無線電波，被應用在無線通訊、廣播、雷達、通訊衛(wèi)星、導航系統(tǒng)、電腦網(wǎng)絡等方面。雖然赫茲死于1894年，遠在他的發(fā)現(xiàn)被廣泛應用之前，但電磁波頻率的國際單位赫茲就是以他的名字命名的。

5、約翰·米歇爾：地震波

1755年，葡萄牙首都里斯本發(fā)生了大地震，這是人類史上破壞性最大和死傷人數(shù)最多的地震之一，死亡人數(shù)估計為6萬至10萬。同年，英國地質(zhì)學家和天文學家約翰·米歇爾開始調(diào)查引發(fā)里斯本大地震的原因。1760年，他得出結(jié)論，認為“地下火災”是引發(fā)地震的罪魁禍首，并指出火山——“燃燒的山脈”——通常出現(xiàn)在地震頻繁的地區(qū)。

米歇爾還首先提出，地球在地震時的活動部分是以波的形式傳播的。他還引用了地震的目擊者描述，說地面“就像海浪中的大海一樣”。而在后來，地震學家對震動地球的地震波有了更精確的了解，而且通過它們還能借此推斷地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

6、威廉·倫琴：X射線

赫茲發(fā)現(xiàn)的無線電波，是麥克斯韋方程中所預示的長波電磁波。而在隨后的1895年，德國物理學家威廉·倫琴偶然地發(fā)現(xiàn)了一種短波電磁波。

當倫琴讓陰極射線（電子束）穿過玻璃管時，出現(xiàn)了一種未知類型的神秘射線，因此它被倫琴命名為X射線。倫琴認為，他發(fā)現(xiàn)的射線，可能是許多物理學家所希望找到的一種新的電磁波。他還發(fā)現(xiàn)，這種新的射線與光線類似，能產(chǎn)生陰影。而X射線會陰影，最終成為了一項革命性的醫(yī)學技術(shù)的基礎。

X射線除了能用于醫(yī)學成像診斷以外，它最終還成為了天文學、生物學和其他科學領域的基礎研究工具。此外，X射線的發(fā)現(xiàn)還打破了那時候許多物理學家的自滿情緒，因為他們過去曾認為，他們基本上已經(jīng)把自然界的一切都弄清楚了。順便說一下，X射線不是波長最短的電磁波，伽馬射線的波長比它的更短。

7、路易·德布羅意：物質(zhì)波

20世紀20年代初，法國物理學家路易·德布羅意根據(jù)類比的方法，把光的波粒二象性推廣到了所有的粒子身上。他提出了物質(zhì)波的假設，認為每一個微觀粒子也具有波動性，即和光一樣，也具有波粒二象性。德布羅意最終把他的觀點寫進了他的博士論文里。（我刊2007年10期視點文章《地球突然消失》就詳細介紹了德布羅意波。）

這可能有點古怪，但愛因斯坦讀完德布羅意的論文后，認為這是有道理的。1927年，美國物理學家克林頓·戴維孫和雷斯特·革末讓100電子伏的電子束穿過鎳單晶表面時，觀測到了電子的衍射現(xiàn)象。而衍射是波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象，所以他們的實驗表明，電子也具有波動性。幾乎與此同時，英國物理學家喬治·湯姆森用2萬電子束穿過多晶薄膜做實驗時，也觀察到了電子衍射現(xiàn)象。

德布羅意于1929年獲得諾貝爾物理學獎。隨后，戴維孫與湯姆森也分享了1937年的諾貝爾物理學獎。有意思的是，湯姆森的父親約瑟夫·湯姆孫，還贏得過1906年的諾貝爾物理學獎，獲獎理由是他發(fā)現(xiàn)了電子。而20世紀30年代，德國物理學家恩斯特·魯斯卡因還利用電子的波動行為設計出了電子顯微鏡，并因此獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。

8、馬克斯·玻恩：物質(zhì)波

是概率波

描述機械波的波動方程可以由牛頓力學方程給出，描述電磁波的波動方程就是麥克斯韋方程組。那么，描述物質(zhì)波的波動方程會是什么樣的？

德布羅意的理論提出來之后，許多物理學家開始試圖尋找物質(zhì)波的波動方程。在1926年，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤找到了這種波動方程，它可以用來描述粒子的狀態(tài)是如何變化的，并以此正確地描述了氫原子中的電子行為。他的方程隨后被命名為薛定諤方程，并成為了量子力學種基礎方程之一。

電磁波是電場和磁場在空間交替波動，那么物質(zhì)波代表著什么實際的物理量在波動呢？我們得看看薛定諤方程是怎么描述物質(zhì)波的。

薛定諤方程中，用一個叫“波函數(shù)”的量來描述物質(zhì)波的波動性，但最開始時，沒人知道波函數(shù)有著什么物理意義。沒過多久，德國的物理學家、愛因斯坦的好朋友馬克斯·玻恩發(fā)現(xiàn)，波函數(shù)的絕對值的平方能給出某個時間、某個位置上找到粒子的概率。所以，他認為物質(zhì)波既不同于機械波，也不同于電磁波，是一種體現(xiàn)粒子運動具有不確定性特點的概率波。

但是，德布羅意、薛定諤與愛因斯坦都不贊同玻恩的觀點。德布羅意還表示，他從一開始就認為物質(zhì)波是一種客觀存在的波。直到今天，物理學家仍對波函數(shù)的真實物理意義進行著激烈的辯論。

9、LIGO：引力波

愛因斯坦完成他的廣義相對論之后，他就意識到存在引力波的可能性——時空自身振動產(chǎn)生的一種漣漪。他可能沒有想到，在一個多世紀后，物理學家花費了10多億美元，竟然能夠探測到這種時空漣漪。2015年9月，分別美國路易斯安那州和華盛頓州的兩個激光干涉引力波天文臺（LIGO），就首次觀測到了一對黑洞合并時產(chǎn)的引力波。

這無疑是科學史上最重要的發(fā)現(xiàn)之一。因為引力波是時空本身的漣漪，幾乎可以穿過宇宙任何區(qū)域，所以天文學者可以用它觀測到其他傳統(tǒng)方法無法探測到的天文學事件，比如觀測超新星的核心，或者大爆炸的最初幾分之一秒。所以說，引力波為我們了解宇宙開啟了一扇新的窗戶。