第一章 黄金时代
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终于,在经典物理还没有来得及多多体味一下自己的盛世前,一连串意想不到的事情在19世纪的最后几年连续发生了,仿佛是一个不祥的预兆。1895年,伦琴发现了X射线。1896年,贝克勒尔发现铀兀素的放射现象。1897年,居里夫人(和她的丈夫皮埃尔•居里研究了放射性,并发现了更多的放射性元素:钍、钋、镭。1897年,J.J.汤姆逊在研究了阴极射线后认为它是一种带负电的粒子流。电子被发现了。1899年,卢瑟福发现了兀素的嬗变现象。如此多的新发现接连涌现,令人一时间眼花療乱。每一个人都开始感觉到了一种不安,似乎有什么重大的事件即将发生。物理学这座大厦依然耸立,看上去依然那么雄伟,那么牢不可破,但气氛却突然变得异常凝重起来,一种山雨欲来的压抑感觉在人们心中扩散。新的世纪很快就要来到,人们不知道即将发生什么,历史将要何去何从。眺望天边,人们隐约可以看到两朵小小的乌云,小得那样不起眼。没人知道,它们即将带来一场狂风暴雨,将旧世界的一切从大地上彻底抹去。这条书摘已被收藏0次+1
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回到我们故事的第一部分那里去:在卡尔斯鲁厄大学的那间实验室里,赫兹铜环接收器的缺口之间不停地爆发着电火花,明白无误地昭示着电磁波的存在。但这个火花很黯淡,不容易观察,于是赫兹把它隔离在一个黑暗的环境里。为了使效果尽善尽美,他甚至把发生器产生的那些火花光芒也隔离开来,不让它们干扰到接收器。这个时候,奇怪的现象发生了:当没有光照射到接收器的时候,接收器电火花所能跨越的最大空间距离就一下子缩小了。换句话说,没有光照时,我们的两个小球必须靠得更近才能产生火花。假如我们重新让光照射接收器,则电火花的出现就又变得容易起来。赫兹对这个奇怪的现象百思不得其解,不过他忠实地把它记录了下来,并写成一篇论文,题为《论紫外光在放电中产生的效应》。这是一个神秘的谜题,可是赫兹没有在这上面做更多的探询与思考。他的论文虽然发表,但在当时也并没有引起太多人的注意。那时候,学者们在为电磁场理论的成功而欢欣鼓舞,马可尼们在为了一个巨大的商机而激动不已,没有人想到这篇论文的真正意义。连赫兹自己也不知道,他已经亲手触摸到了量子这个还在沉睡的幽灵,虽然还没能将其唤醒,却已经给刚刚到达繁盛的电磁场论安排下了一个可怕的诅咒。这条书摘已被收藏0次+1
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自从这个概念被借用到科学里来之后,以太在历史上的地位可以说是相当微妙的,一方面,它曾经扮演过如此重要的角色,以致成为整个物理学的基础;另一方面,当它荣耀不再时,也曾受尽嘲笑。虽然它不甘心地再三挣扎,改换头面,赋予自己新的意义,却仍然逃不了最终被抛弃的命运,甚至有段时间几乎成了伪科学的专用词。但无论怎样,以太的概念在科学史上还是占有它的地位的,它曾经代表的光媒以及绝对参考系,虽然已经退出了舞台,但直到今天,仍然能够唤起我们对那段黄金岁月的怀念。它就像是一张泛黄的照片,记载了一个贵族光荣的过去。今天,以太(Ether)作为另外一种概念用来命名一种网络协议(Ethernet),看到这个词的时候,是不是也每每生出几许慨叹?这条书摘已被收藏0次+1
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人们开始怀疑:既然声音是一种波,为什么光不能够也是波呢?十七世纪初,笛卡儿在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中率先提出了这样的可能:光是一种压力,在媒质里传播。不久后,意大利的一位数学教授格里马第做了一个实验,他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上,发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像。格里马第马上联想起了水波的衍射(这个大家在中学物理的插图上应该都见过),于是提出:光可能是一种类似水波的波动,这就是最早的光波动说。波动说认为,光不是一种物质粒子,而是由于介质的振动而产生的一种波。……光的波动说容易解释投影里的明暗条纹,也容易解释光束可以互相穿过互不干扰。……但是波动说有一个基本的难题,那就是任何波动都需要有介质才能够传递,……光则不然,它似乎不需要任何媒介就可以任意地前进。……但是波动说巧妙地摆脱了这个难题:它假设了一种看不见摸不着的介质来实现光的传播,这种介质有一个十分响亮而让人印象深刻的名字,叫做“以太”(Aether)。就在这样一种奇妙的气氛中,光的波动说登上了历史舞台。我们很快就会看到,这个新生力量似乎是微粒说的前世冤家,它命中注定要与后者开展一场长达数个世纪之久的战争。这条书摘已被收藏0次+1
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古希腊时代的人们总是倾向于把光看成是一种非常细小的粒子流,换句话说光是由一粒粒非常小的“光原子”所组成的。这种观点一方面十分符合当时流行的元素说,另外一方面,当时的人们除了粒子之外对别的物质形式也了解得不是太多。这种理论,我们把它称之为光的“微粒说”。微粒说从直观上看来是很有道理的,首先它就可以很好地解释为什么光总是沿着直线前进,为什么会严格而经典地反射,甚至折射现象也可以由粒子流在不同介质里的速度变化而得到解释。但是粒子说也有一些显而易见的困难:比如人们当时很难说清为什么两道光束相互碰撞的时候不会互相弹开,人们也无法得知,这些细小的光粒子在点上灯火之前是隐藏在何处的,它们的数量是不是可以无限多,等等。这条书摘已被收藏0次+1
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赫兹小心地把接受器移到不同的位置,电磁波的表现和理论预测的丝毫不爽。根据实验数据,赫兹得出了电磁波的波长,把它乘以电路的振荡频率,就可以计算出电磁波的前进速度。这个数值精确地等于30万公里/秒,也就是光速。麦克斯韦惊人的预言得到了证实:原来电磁波一点都不神秘,我们平时见到的光就是电磁波的一种,只不过它的频率限定在某一个范围内,而能够为我们所见到罢了。无论从哪一个意义上来说,这都是一个了不起的发现。古老的光学终于可以被完全包容于新兴的电磁学里面,而“光是电磁波的一种”的论断,也终于为争论已久的光本性的问题下了一个似乎是不可推翻的定论(我们马上就要去看看这场旷日持久的精彩大战)。电磁波的的反射、衍射和干涉实验很快就做出来了,这些实验进一步地证实了电磁波和光波的一致性,无疑是电磁理论的一个巨大成就。这条书摘已被收藏0次+1