牛頓和惠更新的對話

胡紫霞

牛頓和惠更斯兩位科學(xué)家之間的爭論，由于牛頓的威望，“光的微粒說”在18世紀(jì)取得了統(tǒng)治地位。進(jìn)入19世紀(jì)以后，“波動說”又重新活躍起來。

第一位向“微粒說”發(fā)起沖擊的是牛頓的同胞托馬斯·楊。

托馬斯·楊：

牛頓先生，您好！盡管我非常仰慕您的大名，但我并不因此認(rèn)為您的觀點都是正確的。我遺憾地看到，有的時候您也會弄錯，而您的權(quán)威也許有時會阻礙科學(xué)的進(jìn)步。

為了證明光是一種波，我在暗室中做了一個舉世聞名的“光的雙縫干涉實驗”。我們知道，干涉現(xiàn)象正是波動的一個特性。

筆者解釋一下，“雙縫實驗”是一種“雙路徑實驗”。假設(shè)光束是由經(jīng)典粒子組成，將光束照射一條狹縫，光通過狹縫后，照射在探測屏上，則在探測屏上應(yīng)該會觀察到對應(yīng)于狹縫尺寸與形狀的圖樣?？墒牵瑢嶋H進(jìn)行“單縫實驗”時，探測屏?xí)@示出光束被展開，狹縫越狹窄，則展開角度越大。探測屏?xí)@示出在中央?yún)^(qū)域有一塊比較明亮的光帶，旁邊襯托著兩塊比較暗淡的光帶。類似地，假設(shè)光束是由經(jīng)典粒子組成，將光束照射于兩條相互平行的狹縫，那么在探測屏上應(yīng)該會觀察到兩個單縫圖樣的總和。但實際并不是這樣，在探測屏上顯示出一系列明亮條紋與暗淡條紋相間的圖樣。托馬斯·楊的實驗成功證明了光確實是一種波，它只有用“波動說”才能解釋，“微粒說”對此一籌莫展。而緊接著的是另一個著名實驗——光的衍射實驗，完成這個實驗的正是法國物理學(xué)家菲涅爾。

菲涅爾：

大家好，我很榮幸為你們解釋這個實驗現(xiàn)象。這是一種波在傳播過程中可以繞過障礙物，或穿過小孔、狹縫而不沿直線傳播的現(xiàn)象，實驗中成功地演示了明暗相間的衍射圖樣，而衍射現(xiàn)象也是波的基本特性之一。因此我也支持“光的波動說”，我認(rèn)為牛頓先生的“微粒說”是不合理的。

以上兩個實驗，給“微粒說”以致命打擊的是對光速值的精確測定。牛頓和惠更斯在解釋光的折射現(xiàn)象時，對于水中光速的假設(shè)是截然相反的，誰是誰非，難以證實。到了19世紀(jì)中葉，法國物理學(xué)家菲索和付科，分別采用高速旋轉(zhuǎn)的齒輪和鏡子，先后精確地測出光在水中的傳播速度只有空氣中速度的四分之三，又一次證明了“波動說”的正確性。

牛頓：

好吧，看來我也有錯誤的時候。所以大家千萬記住了，不要盲目迷信權(quán)威??！好好做實驗，好好做研究。

經(jīng)過反復(fù)較量，“波動說”終于壓過了“微粒說”，取得了穩(wěn)固的地位。到19世紀(jì)60年代，麥克斯韋總結(jié)了電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，建立了光的電磁理論。到19世紀(jì)80年代，赫茲通過實驗，證實了電磁波的存在。利用“光的電磁說”，對于以前發(fā)現(xiàn)的各種光學(xué)現(xiàn)象，都可以做出圓滿的解釋。這一切使“波動說”在同“微粒說”的論戰(zhàn)中，取得了無可爭辯的勝利。

但是，物極必反。正當(dāng)“波動說”歡慶勝利的時候，意外的事情發(fā)生了——“以太”存在的否定和光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，這些新的實驗事實又一次要置“波動說”于死地?！安▌诱f”認(rèn)為，光是依靠充滿于整個空間的連續(xù)介質(zhì)——“以太”做彈性機(jī)械振動傳播的。為了驗證“以太”的存在，1887年，美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷使用當(dāng)時最精密的儀器，設(shè)計了一個精巧的實驗。

邁克爾遜和莫雷：

是的，我們的確做了這個實驗，你們一定得記住實驗的名字，要是實在記不住，就叫它MM實驗也可以。雖然實驗是失敗的，但我們并不沮喪。實驗結(jié)果證明，地球周圍根本不存在什么“機(jī)械以太”。那么問題來了，沒有“以太”，光波和電磁波是怎樣傳播的呢？

面對這一“波動說”難以克服的困難，“微粒說”又躍躍欲試。而光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使“微粒說”再次“復(fù)辟登基”。所謂光電效應(yīng)，就是指金屬在光的照射下，從金屬表面釋放出電子的現(xiàn)象，所釋放的電子叫做光電子。至此，“光的微粒說”又昂首挺胸，活躍在科學(xué)的舞臺上。

這時，又有一位牛人出現(xiàn)了，他就是——愛因斯坦，他運(yùn)用“光量子說”把光電效應(yīng)解釋得一清二楚。但是，愛因斯坦并沒有拋棄“波動說”，而是把二者巧妙地結(jié)合在一起，并辯證地指出：“光既是波，又是粒子，是連續(xù)的，又是不連續(xù)的。自然界喜歡矛盾……”這一思想充分地把粒子和波緊密地聯(lián)系在一起，至此，“光的波粒二象性”就成為描述光的主要觀點了。