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第1章 容光焕发（第1页）

第1章　容“光”焕发

光的历史

量子力学从尝试理解光开始，几千年来人们为此绞尽脑汁。大约公元前5世纪，希腊哲学家恩培多克勒率先建立了光的理论。

他相信人眼中有一块奇妙的火石，由脸部向外射出光芒，从而照亮我们想看到的任何物体。[1]这个想法颇有诗意，却也存在一个明显的漏洞：如果眼睛能发光，那么我们就应该能看见黑暗中的物体，因为眼睛本身就是火炬。

也正是恩培多克勒提出了四大元素物质（火、水、风、土），这一观点已经被我们抛弃；他还认为没有躯体的四肢在世界各处爬行，直到随机结合形成各种动物，试图以此来解释生物多样性。

事实上，恩培多克勒在科学史上的工作就是提出一些疯狂的想法，然后由其他人证明这是错的。尽管在光线这个例子中，人们花了大约1，300年才意识到这个错误。

直到阿拉伯学者海什木出现，人们才最终放弃了恩培多克勒的观点。海什木做了个实验，他解剖了一颗猪眼球，发现光线在眼腔内的反射与在暗室里是一样的，也就是说，光线来自周围的物体，而眼睛恰好阻挡了光线的路径。[2]

人类花了一千多年才确定眼睛没有发出奇妙的光线，这可能有些奇怪，但那是个不一样的时代，当时所有人都认为是人类赋予了物体存在的意义，因此人类看不见的东西不需要有外观。

幸运的是，海什木完成的实验超越了人类的自负心理，逐渐变得流行起来。人们认定，光来自物体本身，沿直线射进我们的眼睛—无论光是什么。接下来就到了文艺复兴时期。

可以说，勒内·笛卡尔是文艺复兴时期最有影响力的科学家、哲学家，他提出了关于光在物理学领域的另一个伟大想法。

笛卡尔注意到，点燃蜡烛时，房间的每一个角落同时被照亮，就像池塘中心的涟漪可以同时到达每一个边缘那样。他推断，光是一种类似的现象；我们周围各个方向都有一种看不见的物质，笛卡尔称之为“实空”，涟漪与波浪穿过“实空”就形成了光。[3]

唯一反对实空波理论的人是艾萨克·牛顿。牛顿的主要工作就是反对不如自己聪明的人（基本上是所有人）。

牛顿指出，如果光是通过某种介质的波，那它会在经过物体时弯曲，就像水波在绕过岩石时会弯曲一样。影子的边缘会因此变得模糊，但事实上影子的边界非常清晰，所以光是由粒子构成的想法更加合理。牛顿把这种粒子叫作“微粒”。[4]

光的微粒理论不可避免地超越了笛卡尔的实空波，这很大程度上是因为牛顿的名人身份，以及他凌驾于任何挑战他的人之上的缘故。

因此，如果牛顿听说一个叫托马斯·杨的人在他死后70年的时候做了个实验，并得出了相反的结论，他一定会大吃一惊。当然，这里指的是牛顿死后70年。托马斯·杨在那个实验之后很少再亲自做实验。

天才的涟漪先生

托马斯·杨有着18世纪最杰出的头脑。他破译了罗塞塔石碑，是第一个破译埃及象形文字的现代人，他可能因此而最为人熟知。托马斯·杨也最早注意到人眼中的色觉感受器，他写过几本医书，会14种语言，能演奏12种乐器，并发展了现代弹性理论。[5]

1803年，托马斯·杨的“双缝实验”真正奠定了光波理论（非常刻意的双关（1））。

我们先回想一下波浪穿过池塘的情景。想象一个有规律的脉冲波在平静的**表面移动，穿过了一个有狭缝的屏障，波平稳地移动到狭缝的另一侧，然后轻微地呈扇形散开—这个过程我们称为“衍射”。

波之所以散开，是因为波边缘的能量消散在附近的水里。从上往下看，我们得到了与下图相似的图案，其中实线表示波峰，虚线表示波谷。

现在，我们试一下有两条狭缝的屏障。同样的事情还是会发生，但这一次我们看到两条波同时衍射，最终在某个点相互叠加或相互抵消。从上往下看是这样的：

在某些地方，你能看到波与波完美地叠加，一个波峰与另一个波峰相遇，在水面形成“大波峰”。在这些大波峰之间，有些地方的波是不同步的，波峰遇到了波谷，得到了不一样的效果。在这些地方，波相互抵消，水面几乎没有任何波动。

如果我们在池塘的边缘放一块屏幕，混合后的波会冲击它，大波峰和相互抵消的波会交替出现。从正面（而非从上往下）观察屏幕，波留下的图案是这样的：

这里，我们看到的是双缝衍射后波的干涉效果，它形成了高强度与低强度交替的图案，这种现象我们称为波的“叠加”。

托马斯·杨重复了这种叠加图案，只不过他使用的是光束而不是水。点亮一根蜡烛，让烛光穿过墙上的双缝，托马斯·杨最终在探测屏上得到了明暗交替的斑马条纹，类似于水波混合留下的图案。

如果像牛顿坚称的那样光是由粒子构成的，那么当它从两个狭缝射入、击打在另一侧的墙壁上时，应该会形成一团“糨糊”。而我们实际得到的斑马条纹只能用一种方法解释：光是某种形式的波。

牛顿的反驳是影子具有清晰的边界，这仍然有一定的影响力，但此时他已经死了，一些人敢于质疑他的学说。如果你非常仔细地观察影子的边界，的确会看到模糊的边缘：只是它们太小了，很容易被忽略。粒子理论解释不了这一点，但绕过物体的波可以解释。

携带这些波的物质，起初笛卡尔称之为实空，后来它有了更奇特的名字—“以太”。光的本质终于确定了。