光的波粒二象性:惠更斯和牛顿谁是对的?
今天是惠更斯的生日,他于1629年4月14日在荷兰海牙出生。他是衔接伽利略和牛顿之间的人物,对物理学家、天文学家、数学家贡献颇巨,制作了等时摆钟。
令人惊奇的是他也终身未婚,牛顿也是终身未婚。
这两条强悍光棍就“光的本质说”打过大战。下面的文章转发自《解放军报》(2021-04-09),原文信息如下(如涉版权,联系删除):
作者:王皓凡,史利鹏,焦文浩;标题:一场持续300多年的著名争论。
转发这篇文章更重要的意义是:军报也这么关心科学史啦,我们子弟兵的科学素养呱呱叫啦!
一场持续300多年的著名争论王皓凡史利鹏焦文浩
思想交锋会擦出智慧火花。
400多年前,法国科学院里的一次激情演讲,引发一场持续300多年的著名争论——“波粒之争”。
这场争论的主题,是“光的本质是什么”。
大家都知道,光很奇妙,它照亮了人们眼中多彩的世界,却触摸不到,没有气味也没有重量。它就像凭空诞生一般,可一下子充满整个空间。
人们对光的研究起源很早,但在相当长一段时间里,关于“光的本质是什么”始终是令人困扰、又令人关注的课题,牵动着无数科学家的神经。这场关于光本质的争论异常激烈,以牛顿与惠更斯为主要代表的多位著名物理学家卷入此次争论的“漩涡”。
将时间的指针拨回到17世纪下半叶,牛顿在创建经典力学体系的过程中,提出了“微粒说”。他认为,光是一种微粒流,微粒从光源飞出,在均匀介质内作等速直线运动。这一说法轻而易举地解释了光的传播与反射,一时间受到大众认可。
可“微粒说”刚刚面世,就遭到荷兰物理学家惠更斯的强烈反对。他认为,“微粒说”在解释光的干涉、衍射等现象时极为勉强,难以自圆其说。挑战牛顿的权威,可以说是惠更斯这一生中最刚性、最高调的一次出场。
于是,就有了1678年惠更斯在法国科学院的那次演讲。演讲中,他推翻了“微粒说”。随后,在1690年出版的《光论》一书中,他正式提出光的“波动说”,主张光实际是一种机械波,并用数学模型解释了“微粒说”无法解释的双折射等问题。著名的惠更斯原理由此诞生。
这仅仅是一场跨越几个世纪争论的开始。牛顿虽然十分敬重惠更斯这位科学界前辈,但两人在认知上的对立已然不可调和。18世纪初,牛顿出版了他的皇皇巨著《光学》。他不断对“微粒说”进行充实,坚定不移地对光的本质作粒子性解释,在承认“波动说”一些思想的同时,指出其本身存在的不完善性。当时的牛顿科学声誉如日中天,拥有无数追随者,这使得“微粒说”在整个18世纪的争论中占尽上风。
进入19世纪,“波动说”打了一场“翻身仗”。英国一名医生托马斯·杨用波动理论成功地解释了干涉现象。之后不久,法国物理学家菲涅耳更是以严密的数学推理,从横波观点出发,圆满地解释了光的偏振,并定量解释了衍射。至此,“波动说”彻底战胜“微粒说”,光学发展进入了新时期。
然而,这并非就是这场争论的结局。当历史车轮前进到20世纪,科学家爱因斯坦提出光量子理论,人们这才最终认识到,光既是微粒又是波动。一场持续了300多年的“波粒之争”终于落幕。
在这场论争中,许多科学家崭露头角、各抒己见。“波粒之争”推动了物理学的大发展,相对论、量子力学以及光电效应的诞生都与之密切相关。
“波粒之争”虽告一段落,然而人们对光本质的探讨并未就此终止。在时间考验下,光学正经历着千锤百炼,逐渐形成一套完备的科学理论。
后记:除了惠更斯、牛顿,其他大神级科学光棍还有诺贝尔、孟德尔、卡文迪许、莱布尼茨、图灵、特斯拉、笛卡尔、帕斯卡、达芬奇、毕达哥拉斯、怀特兄弟等等。我们的女神颜宁不知道会不会一直在这个序列。