第三節 謎底何時能揭曉(1 / 2)

光是什麼?古往今來,人們一直在探索這個問題的答案。

很久很久以前,古希臘人給光畫了一張象——光從人眼睛裏流出來。他們認為,由於人的眼睛能夠自然而然地流出光來,所以人才會看到周圍的東西。這正象動物長著長長的觸須,碰到了物體即知道物體的存在一樣。

光,究竟是什麼東西呢?許多世紀以來,人們運用人類逐漸積累起來的知識,給光勾畫了一張又一張的畫象。有的似象非象;有的畫出了光的某些特點,卻沒有表現出其它特點。

1675年,英國科學家牛頓在解釋陽光通過三棱鏡產生七色光譜現象時,將光描繪為從發光物體發射出來而作高速直線運動的一種非常細小的粒子,這就是光的“微粒說”。這種學說,很好地解釋了光的直線傳播、反射和折射定律,然而,對於衍射、幹涉和偏振等現象卻無能為力。根據微粒說觀點,光在水、玻璃這樣密度大的物質中傳播速度大於空氣中的速度,而實驗測得的結果與此卻恰恰相反。

1678年,荷蘭物理學家惠更斯對光作出了完全不同的描繪:光是在充滿整個空間的特殊媒質“以太”中傳播的某種彈性波動。按照波動說解釋,光在水、玻璃等媒質中傳播速度比在空氣中慢,而且各種色光波長不同,傳播速度也不一樣,因而進入水、玻璃中之後發生偏折就不同,紅光波長最長,偏折最小,紫光波長最短,偏折最厲害。一些科學家運用光的波動理論,研究、解釋了幹涉、衍射和偏振等現象。但是,波動說卻不能解釋光的直線傳播,後來邁克耳遜實驗還證明並不存在以太。

牛頓和惠更斯是同時代的人,微粒說和波動說各有長短,爭論不休。由於那時候的實驗條件和方法所限,無法判斷和證實兩種學說的優劣。微粒說能夠直觀地、自然地解釋光的直線前進等現象,易於為人們所接受,因此在十八世紀前一直占上風。

1801年,英國物理學家托馬斯·楊作了一個著名的光的幹涉實驗,才打破了微粒說的優勢。楊氏讓一狹窄的光束穿過兩個十分靠近的小孔,爾後投射到一塊白屏上,則兩束光在屏上重疊處呈現出一係列明暗交替的條紋。在暗條紋處,光的粒子跑哪兒去了?微粒說無法解釋。可是,按照波動說的觀點卻能圓滿地解釋:頻率和振動方向相同並具有恒定相位差的兩列波相遇發生幹涉,兩列波疊加時其波峰、波穀相增強或相抵消的結果,即為明暗相間的條紋。兩列波疊加後合成振幅最小處為暗條紋。

1818年,法國物理學家菲涅耳又作了一個著名的光的衍射實驗,運用惠更斯原理加以解釋,使波動說的地位從此上升。他的實驗證明,如果障礙物足夠小,以至可以和光的波長相比擬,則光波在傳播中能繞過障礙物,而在其後形成明暗相間的圖樣,這就是衍射圖樣。一束單色光經過邊緣平滑的狹縫而產生的衍射圖樣,中央為最亮的條紋,兩側為明暗相間的條紋,明條紋隨著其位置遠離中央而亮度遞減。托馬斯·楊、菲涅耳等人圓滿地解釋了當時已發現的各種光的現象,使波動說一躍占了上風。

1871年,英國物理學家麥克斯韋總結了前人關於電學和磁學領域的發現和經驗,提出了電磁場的完整理論,發表了著名的麥克斯韋方程組。他認為,電磁場是電磁波的載體,是能夠貫穿一切的特殊媒質。他的理論不僅預言了電磁波的存在,而且推算出變化的電磁場以每秒30萬公裏的速度在真空中傳播,也就是說,電磁波的傳播速度恰好等於光速。於是,麥克斯韋大膽地預言:光也是一種電磁波。從此,光便得到了一個新的名字——光波,並成為電磁波大家庭中的一員。

電磁波大家庭的組成。其中一小部分為可見光,波長從3900埃到7600埃。埃是一個長度單位,1埃等於10——10米。

1900年,德國科學家普朗克引用物質結構理論中不連續性概念,提出了輻射的量子論。他認為,各種頻率電磁波的能量輻射是不連續的,是由一份一份的能量單元組成的,每一份能量單元稱為量子,能量輻射的增減都是以這種最小單位即量子的整數倍進行的。他描繪的發光物體,發射光波是以一個一個量子的形式進行的,也就是說,發光物體發射出一個一個的“能量顆粒”,稱之為光的量子。

1905年,偉大的科學家愛因斯坦利用普朗克提出的量予論,成功地解釋了光電效應,並由此證明了光量子的存在。

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