【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一樣． 物理論文 —— 形形色色的光現(xiàn)象 看了那么多折射現(xiàn)象，折射究竟是怎樣造成的呢？這要從光的波動(dòng)說(shuō)談起。下面讓我們看一段 《 物理學(xué)的進(jìn)化 》 （愛(ài)因斯坦、英費(fèi)爾德 ）中的敘述。 光的波動(dòng)說(shuō) —— 光是縱波還是橫波 —— 以太與機(jī)械觀 —— 結(jié)語(yǔ) 光的波動(dòng)說(shuō) 讓我們回憶一下前面描寫(xiě)光學(xué)現(xiàn)象時(shí)突然停下來(lái)的原因。我 們當(dāng)時(shí)的目的是要介紹另一個(gè)光的理論，這個(gè)理論與微粒說(shuō)不 同，但也想做到能解釋同樣多的現(xiàn)象。為了這個(gè)緣故，我們不得 不中斷我們的故事而來(lái)介紹波的概念。現(xiàn)在我們可以回到原題上 來(lái)了。 第一個(gè)提出一個(gè)完全新的光理論的人是和牛頓同時(shí)代的惠更斯（ Huygens）。在他的光學(xué)論文中，他寫(xiě)道： 假如光的通過(guò)需要一定的時(shí)間 —— 這正是我們現(xiàn)在要考查的 —— 則這種在介質(zhì)中傳播的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)接著一個(gè)的，因此它是和聲一樣以球面及波的形式傳播的。我 所以把它叫做波，是因?yàn)樗c石子丟在水中所激起的波相似，這些波也是相繼地以一個(gè)個(gè)的圈子傳播出去，不過(guò)產(chǎn)生的原因不同，而且只在平面上而已。 按照惠更斯的說(shuō)法，光是一種波，它是能的遷移而不是物質(zhì)的遷移。我們已經(jīng)知道微粒說(shuō)解釋了許多已觀察到的現(xiàn)象，光的 波動(dòng)說(shuō)也能做到這一點(diǎn)嗎？我們必須把微粒說(shuō)已經(jīng)回答了的問(wèn)題 再問(wèn)一遍，看光的波動(dòng)說(shuō)是否也能口答得同樣好。我們?cè)嚥捎谜? 話的方式，談話的一方是牛頓學(xué)說(shuō)的信奉者，簡(jiǎn)稱為 “ 牛 ” ；另 一方是惠更斯學(xué)說(shuō)的信奉者，簡(jiǎn)稱為 “ 惠 ” 。兩個(gè)人都不許利用 這兩位大師死后所發(fā)展的論證。 物理論文 —— 形形色色的光現(xiàn)象 牛：在微粒說(shuō)中光的速度具有完全確定的意義，那就是微粒 通過(guò)真空的空間的速度。在波動(dòng)說(shuō)中它的意義是怎樣的呢？ 惠：自然，它就是光波的速度。每個(gè)人都知道波是以某種確定的速度傳播的，光波當(dāng)然也是這樣。 牛：這看來(lái)不像那樣簡(jiǎn)單吧！聲波是在空氣中傳播的，海波是在水中傳播的。每一種波都必須有一種具體的介質(zhì)才能在其中傳播，但是光能透過(guò)真空，而聲卻不能。設(shè)定真空中的波實(shí)際上等于根本沒(méi)有設(shè)定波。 惠：是的，這是一個(gè)困難，不過(guò)對(duì)我來(lái)說(shuō)這并不是一個(gè)新的 困難。我的老師已經(jīng)把這個(gè)問(wèn)題仔細(xì)想過(guò)，而認(rèn)為惟一的出路便 是假定一種假設(shè)的物質(zhì) —— 以太的存在，這是一種充斥于整個(gè)宇 宙的透明的介質(zhì)。整個(gè)的宇宙可以說(shuō)是浸在以太之中，一旦我們 有勇氣引用這個(gè)概念，其余一切都是明白而確切的了。 牛：但是我反對(duì)這樣一個(gè)假定，首先因?yàn)樗靡粋€(gè)新的虛假的物質(zhì)，而物理學(xué)中的物質(zhì)已經(jīng)大多了。還有一個(gè)反對(duì)它的理 由，毫無(wú)疑問(wèn)，你相信我們必須用力學(xué)來(lái)解釋一切，但是怎樣來(lái) 解釋以太呢？你能答復(fù)下面這個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題嗎？以太是怎樣由基 本粒子組成的，而且在旁的現(xiàn)象中它是怎樣出現(xiàn)的？ 惠：您的第一個(gè)反駁當(dāng)然有道理，但是引入稍為牽強(qiáng)的沒(méi)有重力的以太以后，我們便可以立刻放棄那更為牽強(qiáng)的光的微粒。 這里我們只有一種 “ 神秘的 ” 物質(zhì)，而不致于有與光譜中的許多種色相對(duì)應(yīng)的無(wú)數(shù)的物質(zhì)。你不覺(jué)得這實(shí)在是一個(gè)進(jìn)步嗎？至少，所有的困難都集中在一點(diǎn)上了。我們不再需要虛偽地假定各 種色的粒子都以相同的速率通過(guò)真空了。您的第二個(gè)反駁也是對(duì) 的，我們不能夠?qū)σ蕴饕粋€(gè)力學(xué)的解釋。但是毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)光學(xué)的現(xiàn)象以及旁的現(xiàn)象的往后研究中也許會(huì)顯示出以太的結(jié)構(gòu) 來(lái)。目前我們必須等待新的實(shí)驗(yàn)與結(jié)論，但是我希望最后我們總能夠解決以大的機(jī)械結(jié)構(gòu)問(wèn)題。 牛：我們暫且丟開(kāi)這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槟壳盁o(wú)法解決它。即使我們撇開(kāi)那些困難，我還想知道你的理論如何去解釋那些被微粒說(shuō)解釋得很明白而容易理解的現(xiàn)象，例如光線沿直線在 “ 真空 ” 或空氣中通過(guò)的情況。把一張紙放在燈的前面，結(jié)果會(huì)在墻上產(chǎn)生一個(gè)清晰的、輪廓分明的影。假如光的波動(dòng)說(shuō)是正確的，清晰的影決不可能有，因?yàn)楣鈺?huì)繞過(guò)紙的邊緣，使影變得模糊。您知道，在海洋中小船不能阻擋波，波會(huì)繞過(guò)它，也不會(huì)出現(xiàn)小船的 影子。 惠：這不是一個(gè)能使人信服的論證。試看河里短的波打在大 船的邊上，在船的這一面發(fā)生的波在另一面就看不到。如果波十分小而船十分大，便會(huì)出現(xiàn)一個(gè)清晰的影。我們所以覺(jué)得光是沿 直線行進(jìn)的，很可能是因?yàn)樗牟ㄩL(zhǎng)比起普通的障礙物以及實(shí)驗(yàn) 中所用的孔來(lái)要小得多。如果我們能夠做出一個(gè)足夠小的障礙 物，很可能也會(huì)什么影也沒(méi)有。要制造一個(gè)能夠證明光是否能被 彎曲的儀器，我們可能會(huì)遇到很大的實(shí)驗(yàn)上的困難。可是，如果 能想出這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，就能對(duì)光的波動(dòng)說(shuō)和微粒說(shuō)下一個(gè)判決性 的結(jié)論了。 牛：光的波動(dòng)說(shuō)也許在將來(lái)能導(dǎo)致新的論據(jù)，但是現(xiàn)在我不 知道有何可以確切地確認(rèn)它的實(shí)驗(yàn)資料。除非用實(shí)驗(yàn)確實(shí)證明了光會(huì)彎曲，我看不出有什么理由不相信微粒說(shuō)。這個(gè)學(xué)說(shuō)，在我 看來(lái)比波動(dòng)說(shuō)簡(jiǎn)單，因而也就較好。 物理論文 —— 形形色色的光現(xiàn)象 雖然這個(gè)問(wèn)題還沒(méi)有徹底解決，我們可以把談話在這里停下 來(lái)了。 我們還需要說(shuō)明光的波動(dòng)說(shuō)怎樣去解釋光的折射和色的多樣 性，我們知道光的微粒說(shuō)能夠作出這種解釋。我們從研究折射開(kāi)始，但是將首先考察一個(gè)與光學(xué)毫無(wú)關(guān)系的例子，因?yàn)檫@對(duì)考察 折射現(xiàn)象很有用處。 假設(shè)在一個(gè)空曠的場(chǎng)地上有兩個(gè)人懸著一根堅(jiān)實(shí)的棍子在走 路，棍子由兩人各執(zhí)一端（圖３９）。只要開(kāi)始時(shí)他們以相同的速度筆直向前走去，只要兩人的速度保持一樣，那未不論速度的大小如何，棍總是作平行的位移，就是說(shuō)，它的方向不會(huì)改變。 棍的連續(xù)不斷的所有位置都是相互平行的?，F(xiàn)在，我們?cè)O(shè)想在一極短的時(shí)間之內(nèi)，也許只有幾分之一秒，兩個(gè)人走路的速度不同了，會(huì)發(fā)生什么情況呢？很明顯，在這一瞬間，棍子轉(zhuǎn)向了，因此它不再對(duì)原有的位置作平行位移了。等到恢復(fù)為相等的速度時(shí)，它的方向已經(jīng)與原來(lái)的方向不同。這在圖上已明顯地表現(xiàn)出來(lái)了，方向的變更發(fā)生在兩個(gè)行路者的速度不同的瞬間。 物理論文 —— 形形色色的光現(xiàn)象 這個(gè)例子使我們能了解波的折射。一列在以太中行進(jìn)的平面 波碰在玻璃表面上，在圖４０中，我們可以看到一個(gè)具有比較大 的波前的波在向前行進(jìn)。波前是一個(gè)平面，在任何時(shí)刻，這個(gè)平面上的以大的各部分其行為相同。因?yàn)楣獾乃俣纫拦馑ㄟ^(guò)的介質(zhì)而異）因此光在玻璃中與在 “ 真空 ” 中的速度不相同。在波前 進(jìn)入玻璃的極短時(shí)間內(nèi)，波前的各個(gè)部分各有不同的速度。很明 顯，已經(jīng)到達(dá)玻璃的那部分便會(huì)以玻璃中光的速度行進(jìn)，而其余 部分則仍以光在以太中的速度運(yùn)動(dòng)。由于 “ 浸 ” 人玻璃時(shí)波前各 部分的速度不同，波本身的方向便有了變更。 由此可見(jiàn)，不僅光的微粒說(shuō)，而且光的波動(dòng)說(shuō)也可以解釋折 射。假如再加上一點(diǎn)兒數(shù)學(xué)知識(shí)用作進(jìn)一步的考察，便會(huì)發(fā)現(xiàn)光 的波動(dòng)說(shuō)的解釋更簡(jiǎn)單。更好，而且結(jié)果與觀察完全相符。事實(shí) 上，如果我們知道一束光進(jìn)入介質(zhì)時(shí)的折射情況，使用定量的推理方法，我們可以推出折射介質(zhì)中的光速來(lái)。直接測(cè)量的結(jié)果圓 滿地確認(rèn)了這些預(yù)言，因而也確認(rèn)了光的波動(dòng)說(shuō)。 物理論文 —— 形形色色的光現(xiàn)象