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关于波的九大发现

物理学家与冲浪爱好者有一个共同特点,那就是他们都认为波很有趣。除了乐趣之外,对于物理学家来说,波还是自然界的一个最为重要的物理现象。从热、光、广播和电视,再到音乐、地震和全息图,波在很多物理过程中扮演着重要的角色。许多科学中最伟大的成就,都是关于波的新发现或新见解。

下面,我们列举九个此类的发现,来体验一下波的无穷魅力。


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1、托马斯·杨:光波

在18世纪,科学家对光的本质是什么而争论不休。艾萨克·牛顿曾强烈主张光是由非常小的粒子组成。牛顿同时代的荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯强烈反对牛顿的观点,认为光是以波的方式传播的。

一个世纪后,英国物理学家托马斯·杨解决了关于光的本质的长期争论。他通过一系列巧妙的实验,用强有力的证据证明了光是一种波。在一个实验中,杨在一张厚厚的纸上戳出两个小孔,发现光线穿过两个小孔后,在纸后的另一张纸的表面上形成了一系列明、暗交替的条纹。之所以会这样,是因为光穿过两个孔后会像水波一样发生干涉现象干扰。如果光是由粒子构成的话,那么只会形成两个亮斑。但是,杨没能在数学上准确地描述光波,许多牛顿支持者仍拒绝接受杨的观点。

但很快,法国物理学家奥古斯丁·让·菲涅耳就详细地计算了光如何以波的形式进行传播。此外,按照牛顿的理论,光在水与空气界面发生折射,是因为光粒子受到水一侧的吸引。这意味着,光粒子在水中的速度必须更快。但在1850年,法国物理学家莱昂·傅科测出,光在水中传播的速度远低于其在空气中的速度。于是,即使是最坚定的牛顿支持者也不得不投降。如果牛顿那时还活着的话,他也肯定会承认光是一种波。

不过在很久以后,爱因斯坦发现,光其实可以由一种被称为光子的粒子组成。最终,物理学家意识到,光既具有波动的特性,又具有粒子的特性,这就是所谓的波粒二象性。

2、迈克尔逊和莫理:没有以太

声波的传递需要借助于空气,水波的传播借助于水等。受经典力学思想影响,科学家们便假想宇宙到处都存在着一种称之为以太的物质,光的传播就是借助于这种物质的。

1887年,美国科学家阿尔伯特·迈克耳孙与爱德华·莫雷设计了一项实验,来探测以太。因为地球以每秒约30千米的速度绕太阳运动,必须会遇到每秒约30千米的“以太风”,这会对光的传播产生影响。光在地球运动方向上的传播速度应与直角方向上的传播速度不同。但是,他们的没有发现任何以太效应。他们最初认为,实验本身可能存在缺陷。但在后来,爱因斯坦提出,其实根本就没有以太。

3、詹姆斯·克拉克·麦克斯韦:电磁波

英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦死于1879年,是爱因斯坦出生的那一年,所以不知道没有以太。当时的他认为,电和磁是某种类似以太的介质中的力。

麦克斯韦意识到,在这种介质中,一个振荡中的电场会产生振荡的磁场,而一个振荡中的磁场又会产生振荡的电场,这些连续不断同相振荡的电场和磁场共同地形成了电磁波。他根据自己提出的描述电磁现象的方程组(麦克斯韦方程组),计算电磁波的速度可达到每秒3.1亿米,与那时测得光速(每秒2.98亿米到每秒3.15亿米)非常接近。麦克斯韦认为,世界上没有巧合的事情,所以他就得出了结论,认为光就是一种电磁波。

麦克斯韦在1864年写道:“我们似乎有充分的理由得出这样的结论,光本身(包括热辐射和其他辐射,如果有的话)是以波的形式在在电磁场中传播的电磁扰动。”随后,人们发现的确有很多其他的电磁波,包括了伽马辐射、X射线、无线电波等。

4、海因里希·赫兹:无线电波

没有多少人在一开始就认真对待麦克斯韦。然而,一些物理学家很早便开始追随麦克斯韦的步伐,并完善了他的理论。德国物理学家海因里希·赫兹就对麦克斯韦的理论信心十足,于是他在实验室里进行了实验。在1887年,他成功地制造并检测到了无线电波。

他的成功使得麦克斯韦的理论赢得了更多的尊重。现在,他所发现的无线电波,被应用在无线通讯、广播、雷达、通讯卫星、导航系统、电脑网络等方面。虽然赫兹死于1894年,远在他的发现被广泛应用之前,但电磁波频率的国际单位赫兹就是以他的名字命名的。

5、约翰·米歇尔:地震波

1755年,葡萄牙首都里斯本发生了大地震,这是人类史上破坏性最大和死伤人数最多的地震之一,死亡人数估计为6万至10万。同年,英国地质学家和天文学家约翰·米歇尔开始调查引发里斯本大地震的原因。1760年,他得出结论,认为“地下火灾”是引发地震的罪魁祸首,并指出火山——“燃烧的山脉”——通常出现在地震频繁的地区。

米歇尔还首先提出,地球在地震时的活动部分是以波的形式传播的。他还引用了地震的目击者描述,说地面“就像海浪中的大海一样”。而在后来,地震学家对震动地球的地震波有了更精确的了解,而且通过它们还能借此推断地球的内部结构。

6、威廉·伦琴:X射线

赫兹发现的无线电波,是麦克斯韦方程中所预示的长波电磁波。而在随后的1895年,德国物理学家威廉·伦琴偶然地发现了一种短波电磁波。

当伦琴让阴极射线(电子束)穿过玻璃管时,出现了一种未知类型的神秘射线,因此它被伦琴命名为X射线。伦琴认为,他发现的射线,可能是许多物理学家所希望找到的一种新的电磁波。他还发现,这种新的射线与光线类似,能产生阴影。而X射线会阴影,最终成为了一项革命性的医学技术的基础。

X射线除了能用于医学成像诊断以外,它最终还成为了天文学、生物学和其他科学领域的基础研究工具。此外,X射线的发现还打破了那时候许多物理学家的自满情绪,因为他们过去曾认为,他们基本上已经把自然界的一切都弄清楚了。顺便说一下,X射线不是波长最短的电磁波,伽马射线的波长比它的更短。

7、路易·德布罗意:物质波

20世纪20年代初,法国物理学家路易·德布罗意根据类比的方法,把光的波粒二象性推广到了所有的粒子身上。他提出了物质波的假设,认为每一个微观粒子也具有波动性,即和光一样,也具有波粒二象性。德布罗意最终把他的观点写进了他的博士论文里。(我刊2007年10期视点文章《地球突然消失》就详细介绍了德布罗意波。)

这可能有点古怪,但爱因斯坦读完德布罗意的论文后,认为这是有道理的。1927年,美国物理学家克林顿·戴维孙和雷斯特·革末让100电子伏的电子束穿过镍单晶表面时,观测到了电子的衍射现象。而衍射是波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象,所以他们的实验表明,电子也具有波动性。几乎与此同时,英国物理学家乔治·汤姆森用2万电子束穿过多晶薄膜做实验时,也观察到了电子衍射现象。

德布罗意于1929年获得诺贝尔物理学奖。随后,戴维孙与汤姆森也分享了1937年的诺贝尔物理学奖。有意思的是,汤姆森的父亲约瑟夫·汤姆孙,还赢得过1906年的诺贝尔物理学奖,获奖理由是他发现了电子。而20世纪30年代,德国物理学家恩斯特·鲁斯卡因还利用电子的波动行为设计出了电子显微镜,并因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。

8、马克斯·玻恩:物质波

是概率波

描述机械波的波动方程可以由牛顿力学方程给出,描述电磁波的波动方程就是麦克斯韦方程组。那么,描述物质波的波动方程会是什么样的?

德布罗意的理论提出来之后,许多物理学家开始试图寻找物质波的波动方程。在1926年,奥地利物理学家埃尔温·薛定谔找到了这种波动方程,它可以用来描述粒子的状态是如何变化的,并以此正确地描述了氢原子中的电子行为。他的方程随后被命名为薛定谔方程,并成为了量子力学种基础方程之一。

电磁波是电场和磁场在空间交替波动,那么物质波代表着什么实际的物理量在波动呢?我们得看看薛定谔方程是怎么描述物质波的。

薛定谔方程中,用一个叫“波函数”的量来描述物质波的波动性,但最开始时,没人知道波函数有着什么物理意义。没过多久,德国的物理学家、爱因斯坦的好朋友马克斯·玻恩发现,波函数的绝对值的平方能给出某个时间、某个位置上找到粒子的概率。所以,他认为物质波既不同于机械波,也不同于电磁波,是一种体现粒子运动具有不确定性特点的概率波。

但是,德布罗意、薛定谔与爱因斯坦都不赞同玻恩的观点。德布罗意还表示,他从一开始就认为物质波是一种客观存在的波。直到今天,物理学家仍对波函数的真实物理意义进行着激烈的辩论。

9、LIGO:引力波

爱因斯坦完成他的广义相对论之后,他就意识到存在引力波的可能性——时空自身振动产生的一种涟漪。他可能没有想到,在一个多世纪后,物理学家花费了10多亿美元,竟然能够探测到这种时空涟漪。2015年9月,分别美国路易斯安那州和华盛顿州的两个激光干涉引力波天文台(LIGO),就首次观测到了一对黑洞合并时产的引力波。

这无疑是科学史上最重要的发现之一。因为引力波是时空本身的涟漪,几乎可以穿过宇宙任何区域,所以天文学者可以用它观测到其他传统方法无法探测到的天文学事件,比如观测超新星的核心,或者大爆炸的最初几分之一秒。所以说,引力波为我们了解宇宙开启了一扇新的窗户。

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