《大话物理——旅行到时与光的尽头》
第3节

作者: 一朵熊ss
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  日期:2014-09-30 21:36:36

  本章我们暂且不去探究光是如何自三千弱水之中毫不犹疑地取出了属于自己的那一小瓢,仅只其能够于事件发生之前就知晓结果这一点,就足以令众思想家头疼不已。试想假若你是一束光,要从A点去向B点,遵照时空王国新近颁布的“最短时间章程”,你不仅得知道目的地B的精确位置,更需详细了解沿途将经过几层界面、每层界面的具体位置、各层介质分别是什么……每一段路况都不能疏漏,这样才有可能定制出最优方案。如果你摸不清状况就贸然前行,飞驰了一程之后猛然撞见一界面,这才临时决定进退转圜,如此势必要反复修正原初的轨迹;而既然还有调整的余地,则意味着整条路径并不是最佳方案,比起在出发之前一气呵成勾勒的路线,势必耗时更多。因此,要施行“费马章程”,光必须从站上起跑线的那一刻起,就对所有的选择了然于心,并已为自己挑好路线——沿着结果去谱写过程,这简直就是一场对时间之神的逆袭!“先”和“后”、“因”与“果”颠倒错乱,原本规规整整的逻辑拼图霎时被击成碎片,轰然崩散。

  恒久以来与我们形影相随的光,背后竟藏匿着如此细琐纷繁的秘密,引得无数哲人顿足惊叹,为之争论不休。随着观测仪器不断改良,多年后人们又发现:费马对光的描述其实尚不够全面,行程除了取极小值之外,有时它也会取定值(例如:光源位于椭圆反射镜的焦点之一时),必要时甚至还会取极大值(这需要做点儿特殊设计对光进行“诱骗”,例如:光源依然位于椭圆一焦点,紧贴椭圆内壁镶嵌一块抛物镜,则光线必定落于抛物面底端);因此,费马原理最为精确的说法应该是:“过两个定点A、B的光总选择光程一阶变分为零的路径。”而随着人类对物质世界的了解不断深入,“最短时间原理”渐渐化身成羽翼更为丰满的“最小作用量原理”,引申到了诸如相对论、量子场论等现代物理各前沿阵地。然而,有关行程问题的诡谲思辨不过是光奉献给世人的一碟开胃小菜,围绕着它的谜团这才刚刚显露出冰山一角……

  日期:2014-09-30 21:41:20
  几乎就在费马发出第一声啼哭的同时,一位游学四方的年轻人正巧途径罗马,向他那亚里士多德学派的同行们展示着一块奇异的“魔法石”。他把魔法石从随身携带的密封盒中取出,一眼望去,那是一块再普通不过的岩石碎片,粗粝而暗淡。可是,当年轻人将石片拿到阳光底下一阵暴晒,再带领大家来到伸手不见五指的暗房,不可思议的景象出现了:漆黑之中,魔法石犹如披上了一件淡彩霞衣,怡然地散发着暖暖的荧光——它把阳光拽进了屋子里!

  这个顽皮的年轻人就是伽利略,而他手中的魔法石学名叫做“硫化钡”,博洛尼亚的炼金术士给它起了一个极富诗意的名字:“太阳海绵”。如今,我们当然知晓硫化物晶体之所以会发光,是由于其分子在热辐射的激发下释放能量的缘故,但四百年前人们还不具备探索微观领域的能力。长期浸淫在教会对各自然现象形而上学的解读当中的学院元老顿时惊得目瞪口呆,他们曾坚信:光是发光物体与生俱来的独门绝技,由上帝赋予的属性岂容篡改?但眼前这个胆大妄为的年轻人却把光从太阳身上剥离下来,装进了石头里。对那帮笃信教条的亚里士多德接班人来说,这行为无异于在他们眼皮底下把永恒的微笑从玛利亚圣洁的面庞摘下,移花接木般地镶嵌到一头驴子脸上。

  虽说伽利略自己也搞不懂手里这块“太阳海绵”的发光机制,但透过黑暗中那温润的光华他敏锐地觉察到其中一定包藏着尚不为世人所知的玄机。于是,在希腊时代终结之后,上千年来伽利略第一个对光的身份问题做出了不同于亚里士多德的解读,他认为:光是由许多肉眼无法分辨的细小颗粒组合而成。就像水滴或沙粒,光作为一类实体不但能够被度量,同样也可与其他物质发生相互作用:碰撞、穿透、停驻……既然是一种独立于外物的存在,那么将光从一个地方转移到另一个地方当然无需什么骇人的“妖术”。该理论雏形不仅模糊了发光物体与普通物体之间的界限,更否定了把光当作一件虚无的依附品的古旧观念,被惹恼的老学究们气急败坏地想要掐灭这“异端”的嫩苗,然而在岩石碎片满溢的柔光面前,任何反驳都显得苍白无力。

  就这样,“光由微粒组成”这一猜想鲜活地跃入了大众的视野。为探究世界的本来面目,伽利略从踏上征程的一刻起就不顾艰险、直奔那已知与未知相交接的边缘地带而去。由于他不仅如同先哲那般长于逻辑,更创造性地以观测数据作为自己所有构想的坚实后盾,因此,就连犬牙交错的教义罗网也奈何他不得。其后的四十年间,与保守势力明里暗里相互较量成了这位勇士人生的伴奏曲,伴随着揭示宇宙奥秘的主旋律一起,为开启人类心智谱写了一段段荡气回肠的乐章……

  日期:2014-10-01 15:21:18
  到十七世纪末,物理作为一门独立的学科以初成气候,作为伽利略当仁不让的头号继承人,学界重量级人物艾萨克·牛顿为其坚信的“微粒说”提供了又一漂亮例证,他用自己亲手打磨的三棱镜把一束白光撕成若干色彩斑斓的缎带——红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫——该现象背后的原理可由折射规律延伸而得:翱翔于真空时各单色光速率一致(该实验在普通的室内环境即可演示,这是因为各单色光在空气中的速率也近似相等),但进入“物质层”(例如:玻璃)后速率不再相同,因此它们在气-固交界面的折射率也互不相等。如图所示,原本融为一束的白光在穿越透镜时共经历了两轮转向,而组成白光的各单色光每次转向时都得顺着由各自固有折射率所确定的转角前行,随着路径间的距离越拉越大,最终,红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫便彻底分道扬镳。从微观的角度看,这一过程就好似把一群本性迥异的单色光颗粒一一拆分开来,让它们回归各自的终极队列。

  注:其实牛顿涉猎光学领域之初,原本在“微粒说”与“波动说”之间摇摆不定,为了与前辈罗伯特·胡克一争高下,才彻底站到了他的对立面支持微粒派。这段公案在此不赘述,有兴趣者可查阅相关资料。
  日期:2014-10-01 15:22:23
  光感叹道:
  原来“我”其实是“我们”,阵型一变,透明的光亮也能化作天空中一弯长虹。
  从这一观点出发,我们可以很好地理解光在均一介质为何沿直线传播——正如无外力作用时笔直前进小球;在不同介质的交界处为何发生反射与折射——正如小球碰到阻隔时根据障碍物的软硬度、粘稠度等性质来决定弹回还是穿入……然而,面对光所展现的另外一类特性,“微粒说”却不得其门而入。

  日期:2014-10-01 15:28:44
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