《大话物理——旅行到时与光的尽头》
第5节

作者: 一朵熊ss
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  致密的物障背面竟透出光亮,用脚趾头想想都觉得不合情理,泊松自认为已经拿下了波动假说的七寸,便把计算结果带到评审团四处宣讲。虽然诸位评委也都不愿相信菲涅尔勾画的这幅荒谬图景会照进现实,但作为牛顿忠实的传承者,凡事必须秉持以数据说话的科研精神,于是,在评审主席阿拉贡(Francois Arago)的带领下,大家郑重其事地准备了一次公开实验。然而,戏剧性的场面却不期而至:众目睽睽之下,细小的光斑于圆心深处惊雷般轰然乍现,并于四围漾起一圈圈明暗交叠的细环。这个燃烧于暗影之中的光点便是大名鼎鼎的“泊松斑”,菲涅尔以其卓越的洞察力为波动学说争取到一片立足之地,可泊松却由于“从菲涅尔报告的一个积分中推导出非凡的结果”意外地获得了亮斑的命名权。

  日期:2014-10-02 19:45:05
  不同于反射与折射,光的干涉与衍射之间并没有明确的分界线,两类现象展示的皆是光穿越边界进入“禁区”的行为。非要细分的话,当光源只有一点或数点的时候(比如:一道微光VS两条狭缝),就发生干涉;而当源有很多时(比如:一团光VS若干孔洞、或大片光源环抱住一整块圆盘),所产生的效应通常被称作衍射。事实上,大多数情况下一幅曼妙的光影画卷往往是干涉与衍射共同作用的结果。

  根据菲涅尔的设想,光是一列横波,具体说来,若把波源当做一个质点的话,该点的振动方向与波的传播方向相互垂直;正如将一粒石子垂直投入水中,涟漪却沿着与水面相平行的方向层层扩散。
  波在介质中行走依靠的是振荡,依旧以水波为例,波纹自石子落水的地方一圈圈向四周荡漾开去,若你紧盯着水面固定一点,便会发现其高低是在不断变化的,随着每一次起落整个波形就往外扩大一圈。习惯上把波纹高凸的地方叫做“波峰”,低凹的地方叫做“波谷”;两相邻波峰或波谷之间的距离即为“波长”,而单位时间内水面任意一点往复振荡的次数叫做“频率”,波长与频率呈反比例增减。

  你若往相隔不远处同时掷入两粒石子,就会看到更为奇妙的景象:随着两列波不断扩散,在某一时刻它们必然相遇;如果相互碰触的恰好是各自的波峰,两相叠加,将得到二倍峰值的波峰;同样,如果是各自的波谷,交锋处则将陷入二倍深的低谷。那么,如果一列波的波峰与另一列波的波谷相遇呢?答案是:它们互相抵消,波在此处消失无踪,水面将平复如镜。
  日期:2014-10-02 19:56:44
  你想到了什么?对,托马斯?杨双缝干涉。如果光是一列横波,那么其通过狭缝时的古怪行为就可以得到解释:为了快速钻过障碍物,光不得已兵分两路,之后两列光波在另一片天地重新相遇。此时,若波峰与波峰或波谷与波谷相遇,其势相长,投射到幕墙上的即是鲜亮的条纹;若波峰与波谷相遇,则其势相消,光彩淡去,只留下道道暗影。同理,如若把“泊松亮斑”逐帧放大,你将发现它并不是一个孤岛般的亮点,其周围还细细密密地环绕着数层光圈。这是沿着圆盘外缘偷偷溜进其身后的阴影中的光波群彼此相消相长、共同编织的明暗交响曲。

  把光释作波后,有关干涉、衍射的难题纷纷迎刃而解。又因为费马前辈御光而行之时猛然悟到了“速率”这一决定性因素,而托马斯则意识到光在介质中的传播速率与波长间存在着某种联系,如此一来,就连最初力挺微粒说的折射、反射等现象,以及由其衍生的一系列更为复杂的现象,诸如:散射、偏振等,统统都可以纳入波动理论宽广的胸怀。

  光终于可以长长地舒上一口气了,关乎本质的问题找到了完美的答案:
  原来我是一列波。
  且慢,还剩一个小小的问题没有解决:“波一族”既然依靠振荡行走,其传播就必须借助于各种介质。例如声波,它在空气、液体、甚至固体内部都能畅行无阻,可是真空中却无法迈出半步——实物介质就像一座桥,桥若中断,声音如何能输送到对岸?再如水波,如果没有了水,哪里还有波可言?然而,光不仅能够于真空之中自由穿梭,而且速率比在任何其他介质中都快。这又是怎么回事?我们都知道,若想穿越真空,办法只有一个,那就是:化作粒子。

  一切似乎又绕回到了原点……
  谁能告诉我,
  我究竟是什么?
  日期:2014-10-03 14:52:26
  电与磁
  然而,这一次没等光困惑多久,物理学便欢快地迎来了继伽利略-牛顿之后新一轮的大发现。1791年,英格兰东南部萨里郡一个铁匠家庭,小男孩迈克尔?法拉第(Michael Faraday)呱呱坠地。由于贫困,父母没有能力供孩子接受正规教育,迈克尔十二岁时便辗转街头、为生计而奔波。幸运的是,一年后他误打误撞地来到一个书商家里做了学徒,浩如烟海的知识正好在其探索欲勃发的年纪向他敞开大门;更幸运的是,维多利亚时代的伦敦作为工业革命的心脏,学者、发明家云集,每逢周末,公众便有机会亲耳聆听来自各学术达人的五花八门的专业讲座。其中,化学家汉弗莱?戴维(Humphry Davy)在新成立的皇家研究院所发表的演讲深深地吸引了迈克尔,演讲内容涉及一门新兴科学——电学,一股强大的电流骤然灌入他那焦渴的心田,为了对这头尚在酣睡的巨兽有更多了解,他不仅依靠自学掌握了声、光、力等基础知识,还与朋友组建了科研小分队、一同磨练实验技能。二十二岁时,迈克尔以自己多年写就的学习笔记毛遂自荐,终于成为了他心目中的大英雄汉弗莱?戴维爵士——由于对多门学科皆有卓越贡献,他刚刚被晋封为爵士——身边的一名助手,自此正式开启了他的研究生涯:分析烧制瓷器的粘土、为东印度公司制造火药、被一家保险公司雇去研究鲸油的可燃性、改良英国海军的肉干……直到1920年底,戴维向他讲述了丹麦物理学家汉斯?奥斯特(Hans ?rsted)关于电与磁最新的实验成果,犹如当头棒喝,在小磁针的指引下,迈克尔才再次回到那片他曾魂牵梦绕的“异世界”。然而,随着迈克尔的才华日渐展露,昔日的恩师胸中不禁泛起阵阵妒意,他耍尽手段阻挠“法拉第”这个字眼出现在皇家学会的榜单上;失败后,又利用自己身为皇家化学会主席的特权,专门指派一些诸如冶炼钢铁、生产玻璃等耗时耗力的差事让法拉第办理,使得法拉第在整整十年时光中与他心醉的理论工作无暇牵手。可是在戴维临终前,有人问这位世界上发现化学元素最多的科学家:你这一生许许多多的创建当中,最伟大的是哪一项呢?他却回答:我这一生意义最为重大的发现是一个人——迈克尔?法拉第。那一刻,所有的恩怨在人类共同的热望——叩问真理——面前烟消云散,逝者已矣,已近不惑之年的法拉第带着对导师的谅解与敬重,重新踏上了寻找电与磁的本质联系的漫漫征途……
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