音频在哪里？音频在这里。
今天是王木头讲科学的第13期节目。
来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人，他最擅长给孩子讲有趣的科学。
▼ ▼ 用听的 ▼ ▼
先胜后败的光粒子学说
来自把科学带回家
00:00 09:56
▼ ▼ 用看的 ▼ ▼
光到底是粒子还是波，这个问题争论了上千年。在300多年前诞生了一位科学家，他险些终止这个争论，差点就让光粒子说获胜。这位光粒子学说的英雄是谁呢？说出来大家一定都非常的熟悉了，那就是牛顿。
牛顿在当时人们心中伟大的程度，我们现在可能是无法理解的。因为我们说到牛顿，总是要想到另外一位伟大的科学家爱因斯坦。可能你还知道，爱因斯坦在某种程度上颠覆了牛顿的物理学。给人的感觉好像是牛顿也没有什么了不起的，他的理论也没有非常完美，最后还是被人找出了漏洞。
你可能并不清楚，牛顿提出的万有引力定律和运动三大定律，给当时的人带来了怎么样的轰动。从前人们认为世界是神秘的，很多事情只有上帝能明白。而这一次，人们只要使用牛顿的规律就可以解释世间万物。这是用人类自己的聪明才智做到的，根本没有上帝什么事情。
也正是牛顿，后来人类社会才会很快地出现了科技大爆发。即使到了现在，牛顿的理论依然是我们日常生活中最常用的。不论是汽车运行，还是火箭飞行都可以用牛顿的物理学做出精确的指导。爱因斯坦的相对论虽然更全面，但是更抽象更复杂，很少在日常生活中会使用到。这样也就不会感觉到意外了，2005年英国皇家学会做了一个调查，评选出科学史上最有影响力的人，牛顿就被认为比爱因斯坦更具有影响力。
牛顿聪明才智也的确配得上他的伟大。不只是在运动和力的研究上，在其他很多方面牛顿都做出了很多伟大的贡献。比如在数学中，他就发明了微积分的方法，这可是现在大学生非常头痛的一门数学课；在光学中，牛顿设计和制作了第一台反射望远镜，这种望远镜里面没有传统的凸透镜或是凹透镜，使用一个有弧度的镜子进行聚光；它还发现了太阳光经过三棱镜可以分成五颜六色的光。下面这张图就可以很好地概括出牛顿在科学上的贡献。
以上这些科学研究和发现，放到任何一个其他科学家身上可能都需要花一辈子的时间来研究。而牛顿却只拿出了三分之一的精力就做出了这些成果。其他更多的时间他拿来研究神学和炼金术了。可想而知牛顿是多么的聪明。
花了这么多功夫来说明牛顿是如何伟大、是如何聪明，其实是想让大家理解当时人们对牛顿的信任。在当时就是这样，牛顿认为光是粒子的，那几乎是不敢有人反对的。也正是这样，当时另外一位科学家的研究被埋没了，他在光的波动学说上的研究现在来看更准确更有意义。可是他很不幸地和牛顿在同一时代。人们太盲目地相信牛顿了。直到100多年后托马斯·杨做出了有名的双缝干涉实验，才用事实验证了这位科学家的学说，让光是种波这个理论站稳了脚跟。
这位科学家就是惠更斯。他不论是在数学上还是在物理上都做出了非常大的贡献。他同样也是一位天文学家，是他通过望远镜第一个确定了土星是有光环的，并且还发现了土星的卫星土卫六。所以美国的科学家就把人类第一个着陆土卫六的探测器叫做惠更斯探测器。当年它就是被有名的卡西尼号土星探测器一起带到土星附近的。
用我们现在的眼光来看惠更斯，他同样是一位伟大的科学家，只可惜被覆盖在了牛顿的光环下。所以他有关光线的研究被很多人忽略了。他在光线上的研究最大的贡献是能用数学来为光线的各种现象做出合理的解释，而且这个前提就是必须把光线当做波才可以。凡是可以用数学描述的现象都会是非常精确的。在之前，我们只能知道光可以反射可以折射，但是反射的角度是多少，折射的角度是多少，它们之间是如何变化却没办法做出预测。现在有了惠更斯的数学描述，就可以把当时已知的光的现象都预测出来。
通过惠更斯的研究，以前有关光线的所有疑问都可以解答了。认为光应该是粒子的人们主要依据有两个，一个是光可以发生反射，就像是反弹的小球一样。其实波也是发生反射的，不一定非要是小球才可以。如果你在水池边拨出一道波纹的话，你会发现波纹碰到水池边之后就会反弹回来。
另一个依据是，波是会发生衍射的。就像声波可以绕过障碍物一样，但是人们没有发现光的这种情况。现在有了惠更斯的数学描述就可以很清楚的知道为什么了。光也会发生衍射，只不过这个现象太不明显了，肉眼几乎发现不了。声波和水波能明显地绕过障碍物，是因为它们两个波之间的距离，也就是波长比它较长。波长越长绕过障碍物的能力就越强。而光的波长是非常小的，小到了和分子差不多，所以光线衍射的现象就特别不明显。
所以根据惠更斯的计算和预测，当时科技水平下还没有办法观察到，但是以后有了更精密的仪器一定可以观察到光的衍射现象。甚至，惠更斯还得出结论，光如果真的是波的话，那么光不只是会有衍射现象，还一定会发生干涉现象。而这个现象是无论如何都没有办法用光粒子说来解释的。
波的干涉现象是这样一种情况，我们可以看看下面这个图。有两个波如果是波峰和波峰相遇了，那么这两个波峰在重叠的时候就会变成更大的波峰，波峰就是一个波震动的最高点。不过，这两个波还是会按照各自的方向运行着，直到再次分开。如果两个波是一个波峰和一个波谷，它们相遇了，那么在相遇的时候两个波会抵消，让它们变的更平，波谷就是一个波震动的最低点。同样，当两个波分开之后又各自恢复原样，就像什么也没有发生一样。
如果你理解了上面的那种情况了，那么你一定能想到，干涉还有一种比较特殊的情况。就是两个几乎完全一样的波相遇了，波峰一样高，波长一样长，那么就可能出现下面的两种情况。当两个波的波峰遇到波峰了，这两个波就会合并成一个波峰更高的波，这个高度正好是两个波的波峰之和。如果是正好波峰和波谷相遇了，那么两个波的波峰和波谷就正好抵消，看上去就像是一个直线。
所有的波都有会发生干涉现象，不论是水波还是声波。如果你用两只手用同样的速度拍打水池里的水，你会看到扩散出去的水波在远处相遇，其中有的地方就会显得比较平静，这是因为这里的水波总是相互抵消；而有的地方显得震动幅度很大，这是因为这里的水波总是相互叠加。后面会有一个视频，大家可以看到一个水波发出去之后经过了两个小孔，然后向外扩散，这就相当于是你用手拍击水面产生出来两个水波。这两个水波扩散出去之后，我们就可以在它们相遇的地方发现上面说的情况了，大家可以去看看。
既然光是一种波的话，那么光也应该有这样的现象。如果能做出一个实验可以验证光也是会发生干涉的话，那么光是波这件事就是板上钉钉的事情了。这个想法虽然很早就有了，但是真的做出这样的实验来还要等到19世纪初，一位叫做托马斯·杨的人做出来了名垂青史的双缝干涉实验。
这个实验是用一道光源照向两个靠得近而且还非常窄的窄缝上。如果光是波的话啊，那么光波经过窄缝就会发生衍射向外扩散出去，就像是有了两个一模一样的光源。它们发出的光还会在远处发生干涉，也会像是水波一样，有些地方看起来很平静，有的地方就很强烈。这样在远处放一个屏幕的话，就会在屏幕上因为干涉现象看到明暗相隔的光斑。可如果光不是波而是微粒的话，只能看微粒直直地运行打在屏幕上。会显示出仅有两条光斑，对应的就是两个细缝。
最后实验结果是真的在屏幕上看到了明暗相隔的光斑。光是波这件事也就变得毋庸置疑了。因为牛顿的名气而很少有人愿意挑战的光微粒说，现在也被证明是完全错误的了。
惠更斯的理论赢得了胜利。但这并不是说光是什么这个话题有了最终答案。光是波，但它到底是什么波？光的微粒说是否还能最后发生大反转赢得最后的胜利呢？我们下次再揭晓答案。
本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请
点击举报。
