part1

第一章 科学的滥觞

1.懵懂

2.怀疑

3.理性

4.起步

5.开路

第二章 常识兵器榜

1.我们应该怎样认识世界

2.怎样知道地球是球形

3.怎样知道地球不是宇宙中心

4.第三章 物理牛人排行榜

5.开普勒为天空立法

6.苹果传奇

7.爱的抛物线

8.谁的万有引力定律

第四章 所谓科学理论

part2

第五章 牛顿的宇宙

1.运动VS力

2.空间的困惑

3.晕死人的时间

第六章 智慧之光 (上) 路线与战争

1.光程迷踪

2.波粒大战

第七章 智慧之光(下)速度与激情

1.极速追踪

2.百川归海

part3

第八章 相对论前传(上) 暗夜传说

1.一个临时工

2.一个失败的实验

3.一例显而易见的观测

4.一个艰难的决定

5.两片乌云

6.牛顿的时空观

7.马赫的批判

第九章 相对论前传(下) 天际微白

1.伽利略相变换

2.种豆得瓜

3.群雄逐鹿

4.鹿死谁手

part4

第十章 狭义相对论(上)曙光

1.追光

2.论动体的电动力学

第十一章 狭义相对论(下) 新世界

1.时间膨胀

2.质能关系

3.四维时空

4.光障VS中微子


第七章 牛顿的宇宙

运动VS力

描述宇宙,离开了运动和力,就好比描述美女,却无视“美”和“女”这两个基本特质一样。

运动、力,同为宇宙的根本性质之一。二者的关系密不可分。如果上帝说,让你和你的恋人关系好得像运动和力一样,那么恭喜你,你们生生世世、时时刻刻都甭想甩开对方了。

根据自己居住地球多年的经验,亚里士多德认为,物体的自然状态是静止的,只在受到力或冲击作用时才运动。这很直观也很好理解,茶杯放在桌子上,没有外力作用,它不会跑到地上摔碎自己。

聪明的亚里士多德还认为,人们不用观测呀、检验呀那么麻烦,只用脑袋想,就可以找出制约宇宙的定律。就比如刚才这条。所以他根据自己的理论得出一个预测:重的物体比轻的物体下落得更快,因为它受到更大的力将其拉向地球。

听起来很有道理,大家都信了。除了一个人。

伽利略这个死心眼的家伙,他非要亲眼看看才相信,物体重量不同,是不是真的下落速度就不同。

大家熟悉的版本是,伽利略在比萨斜塔上同时扔了两个球,一大一小两球同时落地,一阵惊叹和一阵掌声之后,大家都高高兴兴地回家吃饭去了。多数60后、70后、80后是通过这件事知道比萨斜塔的,还记得课本上那幅插图吧。但,让我们伤心的是,这又是个美丽的传说。

别忘了,伽利略是个聪明得让人羡慕嫉妒恨都解不了心中块垒、仰慕崇拜爱也止不住牙根痒痒的家伙,连爱因斯坦都对他佩服得不得了。

面对老亚的这个预测,略哥哪都没去,只是饭后坐在家里,翘着二郎腿闭目养神顺便剔剔牙时做了个思想实验:如果真的像老亚同志说的那样,重的下落比轻的快,那我把重的和轻的绑在一起,会怎么样呢?奇妙的事情发生了,从逻辑上讲会出现两种截然不同的结论——

结论一:重的轻的合二为一,当然更重,它们的结合体下降得一定比那个重的更快。

结论二:重的还想那样快,却被轻的拖了后腿,两个力一中和,它俩加起来应该比轻的快点,比重的慢点。

如果它俩不是绑在一起而是融为一体,这个这个……和绑在一起有何区别呢?

矛盾呀矛盾……

这个思想实验以老亚的预测为前提,逻辑推理过程毫无问题,却同时产生了两种不同的结论,所以,一定是前提错误——也就是老亚的预测错误!略哥遗憾地一拍大腿,怎么我又对了?

但思想实验终究是看不见摸不着的,逻辑再正确,也得拿出大家都看得见摸得着的证据来,广大人民群众才会信服,毕竟大家都是正常人,哪有几个像你伽利略那样,聪明得令人发指的?

略哥懒得去爬比萨斜塔。同时也为安全考虑,要是砸到小盆友怎么办?但重物落地速度太快,如果高度不够,很难分清落地先后。

你要是把乡亲们都叫来,自己拿一大一小俩砖头举过头顶,双手一松,台词是:“各位观众,现在你们请看,是不是两砖同时落地呢,那位拿葱的大婶一向视力超凡入圣眼尖嘴快要不你来说说看?”如果这俩砖没砸在你脚上,那一定会有鸡蛋西红柿飞到你头上,今天午饭晚饭都不用做汤了。

咋办呢?

要是我,就算了,谁先落地关我屁事?不砸到我就万事OK了。

但伽利略不,他非要分出个子午寅卯!

这家伙有办法,他把不同重量的球从光滑的斜面上滚下。掉下来和滚下来(听起来像骂人)性质类似,都是重力加速度,但是滚下来速度慢,更容易观察,大家围观起来比较舒服,球缓缓而行,逐渐加快,清晰易辨,回去描述起来也方便,这样乡亲们就不会拿鸡蛋西红柿招呼咱了。聪明吧?

实验表明,不同重量的物体,其速度增加的速率是一样的。

在一个沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上,你释放一个球,则1秒钟后球的速度约为每秒1米,2秒钟后为每秒2米……不管球多重都一样。

是不是很神奇?10米、1米、1秒、1米/秒、2秒,2米/秒……人类主观意识衡定的计量单位,和自然力配合得如此美妙,就好像几百亿年以来,大自然一直在等待我们获取这个答案一样。如果你说这只是巧合,只是大约,那么,还记得勾3股4弦5吗,为什么会这样?

370年后,阿波罗16号登月时,宇航员通过电视直播,当众做了一个验证自由落体定律的实验:一手拿锤子,一手拿羽毛,从同一高度同时松手,锤子和羽毛同时落地。

牛顿把伽利略的测量作为运动定律的基础。他考虑到,当物体从斜坡上滚下时,它一直受到不变的外力(它的重量),产生的效应是,它被恒定地加速。这表明,力的作用是,改变物体的速度和方向,而不仅仅是“使之运动”。只要一个物体没有受到外力,它就会以同样的速度保持直线运动。

这个思想这样表述:任何物体在不受任何外力的作用下,总保持匀速直线运动状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止。这是牛顿第一定律,也叫惯性定律。

还记得笛卡尔提出的物体运动三条法则吗?何其相似!但接下来我们会发现,两者认识的高度不同。那么谁的认识更高呢?当然是站在肩膀上的那位!

好的,接下来又出现一个问题,是不是无论物体质量多少,随便加一个力,都产生同样的效果呢?力、质量、运动之间是个什么关系?

实验表明,它们是有比例关系的:

力加倍,则加速度也将加倍。

实验:让林黛玉玩命地推你一下,然后让姚明玩命地推你一下,比较一下自己被他俩推出去的速度,就明白了。

物体的质量越大,则加速度越小。

实验:如果刚才你没被姚明推吐血,以及林黛玉推你的时她自己没吐血,那么那现在你可以报仇了。你先玩命地推林黛玉一下,然后再玩命地推姚明一下,比较一下你把他俩推出去的速度,就明白了。

结论:物体的加速度跟物体所受的合外力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同。这是牛顿第二定律。

质量定义的标准答案是:物体的一种性质,通常指该物体所含物质的量,是度量物体惯性大小的物理量。后面这句跟牛顿第二定律息息相关。根据这一定律,我们可以这样理解:质量就是改变物体运动状态的难度,质量越大,这个难度就越大。

现在我们知道,要改变一个物体的运动状态,必须有其它物体和它相互作用(包括非接触性的引力等)。那么,物体之间的相互作用时,他们之间的作用力会有何表现呢?牛顿说,力的作用是相互的,有作用力必有反作用力。

表述:两个物体之间的作用力和反作用力,在同一直线上,大小相等,方向相反。这是牛顿第三定律。

说到作用力和反作用力相当,我想起不论哪一代莘莘学子,在学到这一定律时,都经历过这样的事:一个同学推了或打了一个同学,狡辩“力的作用是相互的”,一般情况下被动受力的同学大都一时想不起如何反驳。这个游戏代代相传生生不息。

虽然大家都很忙,我们也不妨来研究一下:作用力、反作用力,它们大小相等、方向相反,那么,受力者受的伤害是否对等,责任是否也对等。

其实,不论是拳打、脚踢、掌扇,还是推搡所产生的作用力,主动的一方都是用身体中比较坚硬、耐受的部位,去作用在对方身体中比较柔弱、不耐受的部位,这就在物理上产生了一个耐受的不对等。

如果主动方是用脸磕碰被动方的脚后跟,或者用舌头攻击对方脚趾,被动方一般是不会申诉受屈的。

即使在物理上对等,你用自己的头去撞对方头部相同的部位,双方都头破血流,这也会产生精神上的不对等——因为你实现了两头相撞的愿望,而对方没有陪你一起受伤的愿望,所以,在精神上一定比你痛苦。

因此,这种攻击的作用力、反作用力虽然相当,但双方受到的伤害绝不对等。跳出物理,从道德上和法律上讲,即使主动方受的伤害更大,责任也在主动方,比如你主动用一指禅点对方无影脚,对方脚破皮,你手指骨折,那你也得出钱给人家消毒包扎。

哈哈,好像跑题了~

牛顿还搞定了描述引力的定律:任何两个物体都相互吸引,其引力大小与每个物体的质量成正比。我们根据这个定律来推导一下:

两个物体,A和B。A的质量加倍,则两个物体之间的引力加倍。这很好理解,因为增肥到原先两倍的A,可以看成两个原先的A,每一个A都用原先的力来吸引B,所以A和B之间的总力加倍。如果A增肥到原先的2倍,B增肥到3倍,则引力就增大到6倍。当然,我经过研究发现,引力定律也有例外,比方说,你GF的体重增加到原先的2倍,她对你的引力就减半;增加到3倍,引力为零;再增加下去,就产生斥力(为了防止不谙世事的小盆友看了这段产生误会,特此声明关于GF的引力理论是个玩笑)。

现在我们终于明白了,为什么重量不一样的落体总以同样的速率落下来:

按照牛顿引力定律,引力大小与每个物体的质量成正比。

按照牛顿第二定律,加速度跟物体质量成反比。

这两个效应刚好互相抵消。所以在相同的引力环境下,无论物体多重,加速度是同样的。

牛顿引力定律还告诉我们,物体之间的距离越远,则引力越小。

牛爷不仅知道是这么回事,还能算出来究竟是多少,数学关系出来了,这就是高度,回望历史,无人能及的高度!

===========我是排长=========

说到这想起一个私人问题,《时间简史》在讲到引力时,有句话我看了N遍也没看懂,不知道是不是翻译的事,原文如下:

牛顿引力定律讲,一个恒星的引力只是一个类似恒星在距离小一半时的引力的4分之1。

为了印证是否印刷校对错误,我看了三个版本(完整版、简明版、完整版的网络版),这句话是一样的。我估计应该是这个意思:与一颗恒星的距离增加一倍,则其引力减少到原来的4分之1。

再举例翻译一下,一颗小行星,你离他1公里,如果它对你的引力是4千克,那么你离它两公里,它对你的引力就是1千克。

不知道对不对,谁有正确答案请通知我。谢谢。

==========我还是排长=============

这个定律极其精确地预言了地球、月亮和其他行星的轨道。如果把这个定律改变一下,距离增加时,引力下降的比例比实际上稍多点或少点,那么,行星轨道就不会是椭圆,而是螺旋线,要么旋进,撞上太阳;要么旋出,飞离太阳。这样看来,星球、星系间的平衡,是不是脆弱得让人胆战心惊?

行星公转的离心力,刚好对抗恒星的引力——自从牛顿告诉我这事后,我有好长时间都在担心,有一天这个平衡会突然被打破。先不要笑我,等我鼓足勇气,把小时候的另一件糗事坚持讲完,你再笑我杞人忧天不迟。

相信很多人小时候都曾很认真地玩过磁铁,我也是。有一个玩法,不知道你试没试过:把磁铁固定,拿一块合适的铁,在磁铁下方调整距离,试图找到让铁悬在空中的平衡点。为什么要强调一下“合适的铁”呢?因为太重吸不起,太小看不见,所以合适的标准就是,看得见、吸得起。一看这个标准,就知道是个极其粗糙的实验。但是,铁块大小真的不是关键,关键是一个信念——既然铁在某个距离一定会被吸上去,再远一点就会掉下来,那么,理论上,一定存在这样一个理想距离:铁悬在空中,既不能被吸上去,也不会掉下来,就像直升机的“悬停”。

这个无聊的游戏玩了多少天,我不记得了,但是整个过程印象深刻。一开始,雄心勃勃,想尽各种办法要悬停,但是你知道,铁块不是啪的一声被吸上去,就是咚的一声掉下来。那些日子,我稚嫩的心就在这啪啪咚咚声中渐渐变老……然后我学会了妥协,不要悬停了,我要看到,在接近理想距离时,它由于近似平衡,在啪或咚之前,是由慢到快的过程,哪怕这个过程再短暂,只要能看到它是由慢到快的,也是对这场实验的莫大安慰。这个一定有!我躲在屋里鼓励自己。可是,这个过程太快,我始终感受不到。那块该死的铁不是以极快的速度啪,就是以极快的速度咚……

终于有一天,我深情地凝望着那块铁,思前想后,良久,拿起它走到院里,看看蓝蓝的天,手臂一挥,它向那朵长得很像神马的浮云飞去。

不想房后传来啊的一声:是悟空吧,你又乱扔垃圾……

对不起,那时我不知道抛物线……

人生中第一次伟大的物理学实验彻底宣告破产,我幼小的心灵受到现实铁蹄的无情践踏。

这不要紧,我们有自愈功能。要紧的是,后来得知,地球和太阳的距离之所以保持不变,是由于引力和离心力恰好相等导致的。这让我想起那个失败的实验,引力相当于磁铁的磁力,而离心力相当于铁块的重力,这个平衡是有多脆弱啊?!

后来我再也没有做过这个实验,因为我推测,即使当时侥幸找到了磁、铁的平衡,它也会立即被空气中的细微扰动打破,所以成功的几率为零。

同理,只要不远处一颗行星经过,地球和太阳的平衡就会被打破。这个平衡一旦被打破,地球就应该很快地旋近、或者旋离太阳。

可是,45亿年以来,地球围着太阳转啊转,不知有多少行星经过,有的甚至直接砸在地球上,八大行星也在不断地相互扰动,地球却依然在此。为什么?

虽然眼看着地球稳稳当当地载着我们在宇宙中飞奔,但我对引力平衡的担心一直隐隐存在,直到爱因斯坦给出另一个答案,这才稍稍放下心来。

如果“天宫二号”征集太空实验方案,小民建议试试这个:

行星公转轨道平衡模拟实验。

主要器材:

一个透明真空容器(减少扰动),你知道,没道理把它做成三角形的或扁平波浪形的,最好是圆的,它说,我是你的小宇宙!

一个固定的电磁铁的单极,放在真空容器的正中心,它说,我是你的太阳!

一个铁球,它说,那我只好是你的地球了!

一只可以精确控制速度,以电磁铁为中心转动的机械手。它说,我是上帝之手!马纳多纳闻言泪奔而去。

数据:

电磁铁,也就是你的太阳的引力,是已知数。如果懒得算,别忘了它是电的,你可以过把上帝瘾,随心所欲地调,喜欢让它多大就调到多大。

铁球的质量是已知的。因为大小是你定的。但最好小点,不然电磁铁也要跟着大,不符合节能环保要求。

铁球离中心点的距离,也就是它的轨道半径,由我们说了算。

你看看你看看,一切都是我们内定的,算出铁球维持轨道不变所需要的“公转速度”,还不是易如反掌的事?

操作:

用机械手精确控制铁球在指定轨道上运行,绕磁铁公转,所谓“扶上马送一程”嘛,等铁球达到并稳定在刚才算出来的公转速度时,松开机械手。

我们唯一需要掌握的关键就是公转速度的精确性,即使情况比预计的要复杂,我们还有那么多科学家,考虑各种因素,精确算出这个公转速度,应该不算事儿。

观察:

铁球能否维持恒定公转。

如果平衡被打破,看看它离开轨道的速度有多快。

如果地球仅仅靠万有引力就能维持轨道平衡,那么铁球也能。

结论:

实验完才知道。

呵呵,我孤陋寡闻,不知道这样的实验有没有人做过,也不知道最终会不会有人去做这个实验。不过,即使是痴人说梦,说出来也痛快些。

空间

我的地盘我做主,说起来和听起都来很High,不过,哪儿才是我们的地盘?

现在,自己呆在屋里的你,认为这间屋子所囊括的区域,是属于你的空间。真的是这样吗?

别忘了,我们是在地球表面生活——地球以465米/秒的速度自转,以30公里/秒的速度绕太阳公转(不是绕太阳公公转),并跟随太阳一起以220公里/秒的速度绕银河转,又在银河系的领导下以600公里/秒的速度向仙女座星系方向狂奔……

现在,假如,除了你,所有物质都透明,有个相对“静止”的宇航员站在银河系外(不跟着银河系走)观察你,他会发现你沿着一条非常复杂的、奇怪的、类螺旋形的轨迹瞎折腾,以大约900公里/秒的速度飘忽而去。

如果你看完这段话用了1分钟,那么,刚才你认为属于自己的那个“空间”已经离你5万4千公里了(不要跟我说“直线”距离,你没有参照物)。所以,即使我们躺着“一动不动”,每天都至少“被旅行”7776万公里(赚钱这么快就爽毙了)。为什么要说“至少”呢?因为我们还没算银河系所在的星系群共同飞行的距离!“坐地日行八万里,巡天遥看一天河”毛主席他老人家指的仅是地球自转速度,算得还蛮准(地球自转赤道速度为每24小时40176公里,也就是80352华里)。

我们每时每刻都在以这样的速度旅行,并且永远不能回头——也没法知道怎样才算回头。在宇宙里,所有事物都是真正的流浪者。我们都没有故乡。

幸亏,地球有固体区块存在,这些区块在地球表面相对“固定”,我们可以在其中活动,辨别“位置”和“方向”,这才有了归属感。

现在我们知道,敏感的诗人和刚上岸的水手为啥喜欢拥抱大地了吧?

亚里士多德是幸福的,因为他相信静止状态,特别是相信地球静止。

根据牛顿定律,不存在一个静止的唯一标准。

妙玉:是风动,还是幡动?

宝玉:不是风动,不是幡动,是心动。

那得看参照物是谁……牛顿飘过,悠悠说道。

用和尚的句子泡尼姑,你真行……慧能飘过,幽幽说道。

寒蝉凄切,对长亭晚,骤雨初歇……你我正执手相看泪眼,还没等凝噎呢,我一狠心放开你的手,走开10步——这是假定你不动、以你为参照物的说法。如果以我为参照物,那就是你相对我移动了10步,两种说法是等价的,也就是说都对。你还别不服气。

别扭是吧?和我们习惯的看法不一样是吧,有点不爽是吧?那就研究一下:

我们暂时忘掉地球小亲亲的自转、公转。

真的忘了?那好,现在跟我坐高铁,去马尔代夫。What?你怕怕?搞实验有时是需要勇气的。马尔代夫哦,拿出点点勇气来。你都用光了?那改普快好了。

火车以100公里的时速向北前进,或火车是静止的,而地球以100公里的时速向南运动,随便你怎么说好了。咱俩在火车上搞搞健康向上的、群众喜闻乐见的文化娱乐活动——打乒乓球,这时我们发现,无论是在火车上,还是在铁轨旁边的地面上放一张球桌打乓乒球,球都不会改变运动方式,该怎么飞就怎么飞,该怎么跳就怎么跳,一样服从牛顿定律。那么,相对于跳来跳去的乒乓球来说,是火车在动还是地球在动?

现在,我用手把乒乓球拿到球桌上方,松手。会发生什么事呢?

乒乓球从手里落到桌面上,跳起来,落下去,又跳起来,又落下去……好像很无聊哦……

球第一次落在桌面上,是一次事件,第二次落在桌面上,是另一次事件。我们来看看,这两个事件发生的时间和空间。

咱俩在火车上,会看见乓乒球直上直下地弹跳,在一秒钟前后,两次撞到桌面上的同一处。也就是说,在相隔约1秒钟的时间里,这两次事件是在同一位置,也就是同一空间发生的。还是很无聊啊……当然会这样了。

现在麻烦你下车,我再做一次,你看看会发生什么。乖,别撅嘴。马尔代夫哦。

你会发现,球落在一个点上,弹起来时,随着火车前进的方向,划出一道抛物线,落在30米外的另一个点上。因为火车在这1秒钟走了这么远。也就是说,同样在相隔一秒钟的时间里,两次事件发生的空间不同(相隔30米)!

完全相同的一个实验,两个不同的观测结果。只因为,观测者的两次观测位置不同。从观测结论的准确度来看,我们没法说哪个更准,车上车下都是对的!

这还是在假定地球不公转也不自转的情况下得出的结论。不然,就不是30米的事了。你真忘了?

可见,我们的世界没有什么绝对静止。所以,我们不能确定某件事发生在某个空间,也不能判断在不同时间发生的两个事件,是否发生在同一空间。你看上句话和看这句话时,所处的空间已经相距至少2000公里了。

好,现在我们从马尔代夫返回,what? 你光顾看乒乓球了没见碧海银沙?太遗憾了。没见也不要紧,因为咱俩都知道了:没有绝对的空间位置。现在我给你出一脑筋急转弯,哪儿是马尔代夫?

牛顿发现这一点后,感到很郁闷。因为他遇到一个严重的问题:上帝在哪?

他拒绝接受这一事实。

于是许多人都批评他的这种非理性信仰,其中最有名的是哲学家贝克莱主教,他认为所有的物质、空间和时间都是虚妄的(与我佛所见略同:一切皆为虚幻)。好事者把贝克莱的看法转告同样著名的约翰逊博士,他激动地找到一块石头,一脚踢上去,并大声地说:“我要这样驳斥它!”——我估计他是痛大于怒才那么大声。看看,那时的专家学者多可爱,萌死了。

时间的困惑

分析来分析去,终于找到亚里士多德和牛顿的共同语言:他们都相信绝对时间。

所谓绝对时间,就是在爱因斯坦之前,所有人类相信的那种时间:恒定、一维、一去不返。这种时间观念认为:

——你在我这借了1万块钱,过几天还我2万,这两件事,只要用质量上乘的钟表,不管谁去测量,这个时间的间隔都是一样的。

——时间和空间是完全分开并独立的。就是嘛,时间和空间有啥子关系,饿着肚子,住在天安门广场和住在扁壶胡同一样度日如年。

这就是绝对时间,它不仅与牛顿定律相协调,而且,与我们的日常认知相协调,大家把它作为常识。

前面说过,我们对事物的判断,多数源于日常生活的直观感知。比如,我们看见一块蓝布,会把这个颜色和它的本质联系在一起,我们没注意的是,它实际上是吸收除了蓝色光以外的其他可见光波,唯独把蓝色光波反射出来,才让我们看到它是蓝色——也就是这块布唯一抛弃不要的颜色。如果我们的眼睛也按照这块布的选择,将光的蓝色部分反射出去,而让其余部分落在视网膜上,那么,我们“看到”的就是那块布吸收的颜色混合体,由于去掉了蓝光而发红,也许这种颜色,才是蓝布“颜色”的本质。而这时,别人发现我们的眼睛泛着蓝光。

对时间的感知也是这个道理,在没有搞清时间的本性之前,所有人都同意绝对时间——它均恒地流逝,一去不返,对万物一视同仁,这种观念从人类有意识开始,一直持续到20世纪。那时,科学家们才逐渐意识到,和我们以前对空间的看法一样,我们对时间的看法也是不对的。

是不是快崩溃了?发现自己一直在犯错误,是一件令人极其不爽的事。我们往往会因此产生抵触情绪,从潜意识开始,由内而外地保护自己的一贯看法,在做选择时不由自主地倾向于自己希望的观点。

这完全可以理解。因为,我们之所以是我们,关键在于自己的精神,或者说灵魂,是由记忆和对世界的各种认识、看法组成的,它们结合肉体,共同构成了独一无二的你和我,自己的看法全错误,岂不等于自己原本就是个错误?!这大概就是人们总是为了捍卫自己的思想而争执不休、乃至于大动干戈的原因。

为了世界和平,这个思想政治工作我来做。

我们前面说过,根据达尔文的进化论,物种在基因传递时会发生变异,其中一些更适合环境、对世界认识更趋近正确的个体,能够更好地存活和繁殖。这个过程,从另一个角度看,不正是基因对自身的不断修正吗?让自己以更“正确”的形式存在,不然就被淘汰。因此,不断修正自己,是生命的根本性质之一,是生存进步的必由之路。也就是说,生命不仅在于运动,更在于修正——其实从本质上看,运动也是让自己变得更健康更强壮的一种修正手段。

或许,生命的全部意义,就在于不断接近宇宙的本质。

我们从稚嫩的小盆友长成迷人的美少女、强壮的纯爷们;我们从天真无知的少年成长为久经考验、技术精湛、老奸巨猾的商人、打工仔、官员,适应社会,练就了一身谋生的本领。从内在到外在,我们都跟很久以前的那个自己截然不同了,但是,谁也没感到有何不妥,因为这是必须的。所以——

修正,让生活更美好。让我们一起来修正吧!

罗嗦这么多,原因是,修正时间观念实在是一件困难的事,我们需要足够的心理准备。虽然我们现在看的科教片、科幻片多了,上学时物理老师、课本也告诉我们关于时间的本质,但敢拍着胸脯说“我真正理解了时空是怎么回事”的人又有多少?不会是多数人吧?

所以,在此,我谨代表至尊宝同志,向多年来始终坚持拍胸脯的同志致以亲切的问候和崇高的敬意,对你们、并通过你们对广大天才说三~~个字:我俩爱你们!如果非要在这份爱上加一个期限,我希望是:一万年。

一万年有多久?

不一定。

为什么?

亲爱的,这正是我们接下来要讨论的问题。

第八章 智慧之光 (上) 路线与战争

光程迷踪

要讨论时间问题,光是无法回避的。它俩关系相当瓷实。

所以我特膜拜咱祖先的先见之明,老早就给咱们预备了一个将二者紧密关联的词:时光。

另外,光不仅与时间的关系掰不开,它和我们今后要探讨的几乎所有问题都分不开。因此,在我们修正时间问题之前,现在首先要做的是,认识一下光,它的家庭出身、本人成分、社会关系、政治面目……总之,它究竟是一种什么东西?它是不是东西?

说起来,光的确是一种很奇怪的东西。它能从那遥远的地方瞬间到达我们的眼睛,速度如此之快,撞到身上却一点感觉也没有。坚硬的陨石进入我们的大气层,由于速度太快,会被空气摩擦燃烧,多数被消失。而速度比陨石快N的N次方倍的光,却能够轻易穿越大气层,实现“软着陆”。我们刚要感叹光的霸气,却在不经意间,轻轻一抬手,不费吹灰之力就挡住了它无与伦比的脚步。还没来得及得意,又惊奇地发现,从手指缝漏出去的那束光,毫不费力地穿透了比我们的手硬N倍的玻璃……

天天见,天天纳闷,是一件超级纠结的事。于是,从人类成为人类开始,就一直在研究光,直到今天。回首望去,这是一条曲折坎坷、甚至硝烟弥漫的探索之路。

古希腊流行“四元素说”的时期,认为光是火的一种传递形式,而火是四元素之一,是一种又轻又小的微粒。也就是说,光,是一种无比细微的粒子流。但他们也就是一说,既没有理论依据也没有观测依据。

可圈可点的是,他们把对光的观测,还有猜测,都尽量用数学来处理。欧几里德总结了这些成果,比如:光线是直线;光线的入射角和反射角相等。但是,即使是这些今天看起来十分小儿科的讨论,也只是停留在经验上,没有上升到理论高度。

公元二世纪,托勒密请陈家村的王木匠做了一个工具:在一个圆盘上钉两把尺,就像钟盘和指针。他没把这玩意挂在墙上,而是把它一半泡进水里,一半露在外面,让一束光线顺着盘面,由空气射入水中。托勒密让那两把尺子分别与入射光线(空气里那束)和折射光线(入水后被偏折那束)重合……各种测,得到了一系列精确的数据,并从中发现,入射角和折射角之间有一定的规律,但是很遗憾,这个规律就像梦中那朵花,感觉很清晰,但走近它,却什么也看不见。

公元十六世纪,莫洛利克(意大利物理学家、天文学家、数学教师以及牧师)兴致勃勃地加入了“观光”队伍,他先是摆弄各种镜子,平面的、球面的,柱面的,锥面的……鉴定了它们对光反射的不同表现。他还指出,凸透镜能把光聚在一起,而凹透镜却能把光散开。可惜他没试试,让光一次通过这两个透镜会怎么样,不然,望远镜就提前诞生了。但是透镜原理也没白研究,他意识到,光在眼睛的晶状体(我们天生的两个凸透镜)中产生折射,聚在视网膜上,这就产生了视觉。他由此断定,近视或远视的原因,是我们的凸透镜出了问题,曲率过大或太小,造成聚光不能精确地投射到视网膜上。

莫洛利克还喜欢看彩虹,他最早指出,彩虹有7种颜色。这好像没什么了不起,现在小盆友们都知道嘛。但事实是,此前,人们普遍认为,彩虹只有3种颜色。为什么同样是看彩虹,却看出两个结果呢?因为彩虹有两种看法。

路人甲:“看,彩虹耶!”路人乙:“哇,果然彩虹耶!”然后继续打酱油。这是第一种看法,也是普遍看法。彩虹乍看上去,还真就是三种颜色:红黄绿,这三种颜色占的色带很宽,其他颜色占的色带很窄,彩虹本来就是透明的,它又总是在云雾缭绕、视线朦胧的时候才会出现,那时天空色彩交错,青蓝紫与天空颜色接近,分辨那些窄窄淡淡的色带就更不容易了。所以只有用第二种看法——长期地、较真地去观察,不怕耽误打酱油,才能分辨出七种颜色。

1567年,莫洛利克写了一本书:《论光》。但这本书直到他去世后30年,也就是1611年才出版。

1611年,开普勒也出版了一本书:《折射光学》。那时望远镜已经诞生3年了,小开在书中剖析了望远镜原理,还更准确地解释了视觉的原理,搞清了晶状体和视网膜的合作关系,并进一步指出,视力是大脑对视网膜受光刺激的一种感觉。大家歪歪脑袋眨眨眼睛一想,是这么回事,都欣然接受了。

只是,还有一件事,大家一直感到奇怪:太阳光穿过各种形状的小孔,投射到屏幕上的图像总是圆的!

没道理啊!是不是?

大家都表示是。

但是没道理的事经常结结实实地摆在我们面前,怎么办?

小开有个好办法:动手,不动口。他做了个实验。

他拿了本书代替发光体,用黑板代替屏幕,书和黑板间放了一个带角孔的屏,在书的一角系上一根线,代表光线,线的另一端系一根粉笔,穿过角孔,拉到黑板上,拉直这根线,让线擦着角孔的边绕行,猜猜粉笔在黑板上画出啥形状?

当然是角孔的形状了!沿着角孔的边绕行嘛。这说明,书角这个点发出的光,穿过角孔投射到屏幕上,应该是角孔的形状。

然后,小开解开系在书角上的线,在书的另一个位置系上,再重复上面这套规定动作,这回,黑板上又出现了一个角孔的形状,只不过位置不一样了。

有人开始打哈欠了。

要说小开也够无聊,他把线在书的每个位置都系了一遍!那套规定动作当然也重复了N遍(有人开始打呼噜了)。你猜怎么着?

当然是粉笔在黑板上画出了密密麻麻的角孔形状。

受不鸟,有人睡醒了拿起砖在手里掂量。

大家正在为围观这种无聊的事情后悔,突然发现,这些角孔形状重叠成了一个总的形状——就是那本书的形状!

咦?哦~~!众皆恍然大悟:那么,太阳光穿过小孔,投射的当然是太阳的形状了!

这个小开还是蛮可爱的嘛,我就知道他会鼓捣出些好东西来,这……这块砖谁掉的?

开普勒还继承了托勒密未竟的事业,想要找出光的折射定律,功夫不负有心人,他还真找到了一些规律:光从一种媒质射入另一种媒质,当入射角小于30度时,与折射角成近似固定的比,注意是“近似固定”哦。比方说,光从空气射入玻璃或水晶,这个比大约就是3:2。小开还总结出,如果入射角很大,比方说接近直角,这个比就不成立了。这种好像既有规律,又没规律的规律,让小开欲罢不能,他做了很多实验,想找到精确的折射定律,虽然实验方法正确,但没得到正确的结果。

上帝说,小开啊,给星星们立法已经很拽了,小光的事,就放放手吧!

1621年,事情终于有了转机,威里布里德•斯涅耳加入到测光的队伍,他是荷兰著名数学家、物理学家。是什么家不重要,重要的是,他的特长正是实验和测量。1615年(一说1617年),他用第谷提出的三角测量法,测量出纬度相差1度的两个荷兰小镇之间的距离是107公里,这个值乘以360,得出地球圆周为38520公里,换算成半径是6134公里,只比地球平均半径6371公里偏差3.7%。比前人测得的数据精确多了。

斯涅耳测完地球跑去玩水,发现了一个所有人都发现过的有趣现象:水里的东西看上去比它的实际位置要高一点。于是兴致勃勃地开始研究光折射现象。实验的常用媒质,当然是价格便宜量又足的空气和水。他顺着托勒密、开普勒等前辈的目光看过去,没有更多的收获,就转移视线,终于发现了前辈们没有看到的东西。

光线从空气到达水面,在交界处发生偏折,在这个转折点上,斯涅耳划一条垂直于水面的线,叫“法线”。因为法线与入射光线都是直线,并且经过同一个点,所以这两条线决定了一个平面。斯涅耳发现,无论光线以什么角度入射,它的折射光、反射光都在这个平面上。这是第一个发现。

第二个发现是两条线长度的比例,一条线是光从那个转折点走到垂直的容器壁上的实际路程,另一条线是如果光不发生偏折、保持原始方向走到容器壁的虚拟路程,这两个路程的长度成一定的比例。顺着“两条线的比例”这根藤,斯涅耳一路摸去,终于摸到一个藏了千百年的瓜:对每一对媒质来说,入射、折射这两个角的正弦之比,是一个常数。他总结出了光的折射定律,也叫斯涅耳定律。注意,这个定律是通过实验和精确测量“总结”出来的,虽然结果正确,但没有任何理论推导,所以斯涅耳把它写在手稿里,没有公布。后来惠更斯看了他的手稿,这才揭了秘。

到这里,光线传播的三条基本定律已经出台:直线传播定律;独立传播定律(两束光相遇时,互不干扰,仍按各自的路径行走);反射定律和折射定律。其中,折射定律的难度最大,技术含量最高,所以出现最晚。斯涅耳的发现,为几何光学的发展奠定了理论基础,有力推进了光学的发展。

后来,一个强人的加入,使几何光学变得完美起来。

费马。国家干部中超牛的数学家,数学家中鲜有的国家干部。为什么要用“超牛”和“鲜有”,而不用“最牛”呢?因为这个位置被牛顿占了。

1657年,费马发现,光在任何均匀的介质中,从一个点传播到另一点时,只走耗时最短的路径。并且,如果光反方向传播,不管折射反射的路径有多复杂,它一定还走这条路。

用一句话概括:光走最短的路径。

这就是著名的费马原理,它规定了光线传播的唯一的路径。从费马原理还可以推导出几何光学的三个基本定律。

人类对光程十几个世纪的探索,被费马一句话给概括了。从此几何光学走上了成熟和谐的康庄大道。

这不是费马最牛的一件事。

这个天才一生做了很多牛事,不说出来,实在对不起自己的良心。所以,在这里顺便八卦一下,权当是茶余饭后的消遣。

费马作为国家干部,虽然政绩不突出,但在业余爱好中,却玩出了国际水平。和咱的干部不同的是,人家马干部玩的是尖端学术。在微积分上,他的贡献仅次于牛顿和莱布尼兹;他还是解析几何、概率论的创立人之一;在数论上,他更是硕果累累。

马领导、马律师的业余爱好,成了多数职业数学家心中永久的痛。原因并不仅仅在于他玩出的巨大成就难以超越,更在于他玩出的花样让人牙根痒痒却又无计可施。他得出很多如雷贯耳的结论,却不肯发表,即使发表了,也恶作剧般的不肯拿出证明,至于你们能不能证明,我反正是证明出来了!然后,他就像一个残忍的制谜帝,只负责出谜面,不负责给谜底,得意洋洋地俯视着焦头烂额的解谜者。

十分渴望知道,却又肝肠寸断也算不出来,这次第,怎一个愁字了得!于是,一些资质一般般的数学家就说费马撒谎。这时,费马的国家干部做派就表露无遗:你爱说什么说什么,我就是不搭理你。不同的是,人家马干部真没撒谎。

每道谜题最终的结果,总是让那些说费马撒谎的数学家感到脸红,他提出的结论后来都被优秀数学家证明是正确的。于是,一道亮丽风景呈现在我们眼前:解开这个业余数学家的谜题,成了职业数学界的一种荣耀。

其中最著名的是费马猜想。1637年,马干部在研究《算术》时,突然想到一个命题,就顺手写在这本书的页边空白处:一个高于2次幂的数,不可能是同样次幂的两个数的和。翻译成公式就是说,在n大于2的情况下,zn不可能等于xn+yn。乍一看,这个结论好像相当的不靠谱,数字是无限的,就找不出几个数,让这个简单的等式成立一次?令人气急败坏的是,还真找不出来!最气人的不是这个结论本身,而是费马同志在命题后面接着写的一句话:

对这个命题,我已经有了一个非常美妙的证明,可惜这里空白的地方太小,写不下。

每个数学家看到这句话时,都跳了起来。

然而,跳是不解决问题的。对于科学问题,最好的办法是安静地坐下来一步步研究。于是,有很多不同的n被证明出来了,这个命题成立。但就是没人找得到普遍的证明——所有n,这个命题都成立。

270多年过去了。费马猜想,仍然是猜想。更是一个挑战。

如果有一种爱,是用恨来表达的,那么,几百年来,费马就沐浴在数学家们这种连绵不绝的爱里。

1908年,德国的实业家佛尔夫斯克终于忍无可忍,他决定跟费马拼了,拿出10万马克家产悬赏:在他逝世后100年内,谁第一个证明费马猜想,奖金就归谁。一时间应者云集,却都毫无悬念地都折戟而归。一战后,马克大幅贬值,悬赏的魅力也跟着贬值了。

但是,对于真正的数学家来说,费马猜想的魅力没有贬值,它成了数学家心中的一个梦。通往谜底的崎岖小路上,挤满了前赴后继的数学家。他们的努力没有白费,虽然没有得到费马猜想的证明,却得到了很多稀奇古怪的数学结果、甚至数学分支,比如代数数论等。这些副产品也是我们的宝贵财富。

80多年又过去了。1994年9月,英国数学家怀尔斯在N多前人工作的基础上,终于证明了费马猜想,从此这个猜想有了一个鼎鼎大名:费马大定理。整个数学界长舒了一口气,阳光顿时灿烂起来。

怀尔斯为此获奖无数,当然包括佛尔夫斯克奖金。

但是,怀尔斯的证明论文长达130多页(为了防止看出人命,我就不把原文贴在这了。给个地址:http://www.mat.puc-rio.br/~nicolau/olimp/Wiles.pdf)。这跟费马当初说的“页边空白太小写不下”的那个证明显然不是一回事,并且,怀尔斯证明所用到的数学工具,比如代数几何中的椭圆曲线和模形式,以及伽罗瓦理论、赫克代数等,在费马时代还没有诞生。所以,很多人还在怀疑,费马说的那个证明存不存在。如果真的存在那个简洁美丽到极致的证明,为什么全世界这么多聪明的脑袋瓜都找不到?

天呐,从费马在书页上写下那几行字时算起,一直到今天,370多年过去了,这依然是一个谜!这位“业余数学家之王”在天堂的浅笑,仍是无数职业数学家的梦靥。

波粒大战

让我们先把目光从马干部那胖乎乎、牛哄哄的笑脸上收回来,接着探讨光的问题。

光学几何完善后,我们可以对光的行踪了如指掌,但最根本的问题还没解决:它是什么?

一直以来,人们都在沿用古希腊人的说法,光是一种微粒流,就像无数个小得看不见、轻得没质量的刚性球。光的反射、透射、折射,都可以用粒子流来解释,看过中国足球吧?别不好意思承认,敢看的人才是真的猛士。球踢到我方身上,反弹到对方脚下——反射;我方组成人墙,对方把球从墙缝里踢进球门——透射;球从我方守门员200米外的第一媒质空气中飞进球门,打到第二媒质网上改变了运动方向——折射。

但粒子流解释不了光学几何的第二定律:独立传播定律。两束光相遇时,互不干扰。

如果光是粒子流,那么,它们交叉和对射时,那些粒子为什么不相互撞得四处飞散?

想想几万粒足球集中对射会怎么样?当然相互撞得乱七八糟!

不过凡事都有例外,假设这对射的几万粒球都是咱国队员踢出来的,而球上都画着别国球门,那就一个都碰不上。

但是,咱国足球不是用科学能解释得了的,所以此例不算。

1637年,笛卡尔在他的《折光学》中,用数学推导出了光的折射定律,这是折射定律最早的理论推导。他还试图从力学上证明光的反射、折射定律。提出,光可能是一种微粒,也可能是一种压力,就像声音那样,以波的形式传播。不同的是,声音是通过固体、液体、气体来传播,而光是通过一种叫“以太”的物质来传播。

说到以太,我们以后会详细了解,它在物理史中的地位,就像蒋干在曹操的赤壁之战中的地位。无论你怎么看他,也无法回避他造成的巨大影响。

波?粒?两个问号在笛卡尔飘洒的秀发上空盘旋,他骑在墙头,看看两边风景都不错,就是下不了决心选一边跳下去。

有一种痛苦,叫别无选择;还有一种痛苦,叫选择。

这两个问号,为后来的那场大战埋下了伏笔。

17世纪的某一天,意大利。格里马尔迪,波仑亚大学的数学教授。这一天,阿迪没有研究数学问题,而是看着眼前那道光,把手里的细棍探进光束。阿迪眼前一亮,一向只会走直线的光束,并没有像预料的那样,被细棍齐刷刷地分隔成两半,屏幕上的光照处,只隐隐约约出现小棍的淡淡倩影,让他几乎以为,小棍本来就是那样朦胧。这说明,部分光线绕过了细棍,到达屏幕上本该被细棍遮住的影子区域。

水波、声波遇到障碍物或者小孔,可以通过扩散的办法,绕过障碍物继续传播,这种功夫叫做衍射,也叫绕射,是波族的独门绝技——幸亏子弹没这本事。

莫非…..光也是波?!阿迪为自己的推测激动起来。

为了稳妥起见,他做了一个实验:让一束光穿过一个小孔,照到暗室里的屏幕上。我们都知道,屏幕上的光影比小孔大。它扩散了。

为了更加稳妥,他又做了一个实验:让一束光穿过一个小孔,接着再穿过一个小孔,照到暗室里的屏幕上。这时,屏幕上的光照边缘出现了明暗条纹。这是衍射无疑。

阿迪从实验得出结论:光是一种波动的流体,光波的不同频率,产生不同的颜色。他提出了“光的衍射”概念。

光是波的说法,完美解释了两束光相遇时,可顺畅穿过而不被撞散的现象。也可以解释透射折射反射现象。

阿迪还发现,金属板上的划痕所反射的光,投射到屏幕上,会产生斑斓的色带,他想到,鸟的羽毛和昆虫翅膀被光照时,也闪烁彩光,它们应该是一个道理。这个发现,是后来发明反射光栅的引子。

阿迪把他对光的研究写成了一本书:《关于光、色和虹的物理数学研究》,这本书于1665年出版。这时,阿迪已经去世两年了。

光的波动说虽然只是点燃了星星之火,但它的光芒却笼罩了微粒说的半壁江山。

这是两支实力相当的游击队。虽然粒军建队比较早,资格比较老,但根据地比较薄弱,没什么新发展。而波军凭着一个衍射实验,便异军突起,雄踞一方,虎视微粒说的古老领地。但为了维护“和平与发展”的世界格局,两支游击队各安一方,参军退伍,任君选择。

1663年,英国皇家学会的元老波义耳说了一句话:颜色与物体的自身属性无关,它只是光照在物体上产生的视觉效果。他还首次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹。这是一个新结论,也是一个很正常的结论,但波军和粒军都试图占领这块新阵地,由此引发了争论:

颜色是什么?换句话说,光是什么?

粒军:光的直射反射折射自古以来就是我军的固有领地,早在古希腊时期,我们就开始在那里进行大量的测量和计算活动,断断续续传承至今。波军不请自来,我军表示坚决生气和强烈郁闷。关于颜色的问题,我军认为,我们看到的颜色,就是光微粒本身的颜色,什么颜色的微粒射入我们的眼帘,我们就感觉到什么颜色。

波军:用波动说统一光的直射反射折射还有衍射,是大势所趋,人心所向,是广大人民群众的共同愿望。对于颜色的问题,我方认为这根本不是问题,光波的不同频率,产生不同的颜色。阿迪玩的光衍射实验就是证明,波义耳玩的肥皂泡、玻璃球中的彩色条纹也是证明。历史将证明,我们的理论是伟大光荣正确和不可战胜的。

粒军:那么,水波靠水传播,声波靠空气等传播,贵军的光波靠神马传播呢?

波军:揭短是吧,好啊!那两光相遇不被撞散,还有光的衍射,贵军能否给个解释先?

同时被对方击中软肋,双方都很尴尬。

阿粒进三步,小波便退三步,都站着;小波进三步,阿粒便退三步,又都站着。两支孱弱部队的战争,并不比阿Q和小D的战斗更高明。正僵持间,一个强人加入了波军。

胡克。

这个天才重复了阿迪的光衍射实验。还用自己制造的显微镜,观察了各种透明薄膜的色彩,包括肥皂泡、云母、玻璃片间的空气层及水层等,发现颜色变化是有规律的,随着薄膜厚度的变化,光谱出现周期性重复。根据这些观察,他得出结论:“光是以太的一种纵向波”,光波的频率决定了颜色。光波在薄膜的两个内表面之间反射,由于薄膜厚度不均,光波反射的距离不断发生变化,各种频率的光波交错重叠、相互作用,在某些部位相互抵消,在某些部位相互增强,就产生了缤纷的色彩。这个解释很美妙。胡克把它写进他的得意之作《显微术》,于1665年发表。《显微术》把一个全新的微观世界展现在人们面前,包含了“细胞”等许多令人惊奇科学发现,为胡克带来了巨大的声誉。光的波动说也随之得到广泛传播和认可。

胡克的加入,使波军由游击队升级为正规军,要理论有理论基础,要试验有实验支持,要组织有组织保证,一路攻城略地,锐不可当,历史悠久的粒军一下子变成了弱势群体。

战争,实力才是王道。

1672年,一个年轻的小角色卷进了这场战争。他提交了一篇名为《关于光和色的新理论》的论文,里面谈到一个实验:

让阳光从小孔中进入暗室,透过一个三棱镜,投射到屏幕上,我们会看到一个七色彩带。

年轻人解释道:光是一种微粒,三棱镜能把不同颜色的光微粒分开,就得到了那个七彩色带;我们用凸透镜把这个七彩色带聚焦,它又会变回白色,这就是说,各色光微粒合在一起,就是白光。

当时如日中天的胡克一看,这个结论与自己的波动学说完全不同,这还了得?!于是,在皇家学会评议委员会上,胡克拉上波义耳,很干脆地否定了这篇论文,还给予了尖锐的批评。

年轻人的脸被批得七彩交集。

按说,粒军有了胡克和波义耳这两员大将领衔,波军这支游击队应该被打成小股流寇了吧?

错了。

因为这个被批的年轻人不一样,His name is 牛顿。你知道,那个实验当然就是著名的色散实验了。

本来,牛顿同学对波动说没什么反感,他只是由棱镜实验提出一个可能:白光是各色微粒混合而成。没想到啊没想到,胡克你不同意也就罢了,还批评得那样尖锐,好吧,尖锐我也忍了,谁让你是领导+前辈呢?可是,可是你居然说我论文中“色彩的复合”是窃取了你的思想!好过分哦!子是怎么曰来着?是可忍,孰不可忍?!你以为只有你胡克小心眼吗?我牛顿也……好吧咱们走着瞧!

从此,牛顿视胡克与波动说如仇敌,义无反顾地担任了粒军的主帅。他开始在几乎每一篇涉及光的论文里,都毫不留情地打击波动说。

虽然大家都感到火药味很浓,但谁也没见过牛胡二将拆招。他俩学者风度十足,从不在公开场合当面唇枪舌剑,除了在相关论文中,有理有据地否定对方理论外,其余的交锋只通过信件私下进行,从不牵涉第三者。并且,双方的措辞都相当绅士,语气和缓,相敬如宾。从这时起,直到胡克去世,二人鸿雁传书,不亦乐乎,恨海情天,名句迭出。这里摘录牛写给胡的一段,与君共飨:

笛卡尔迈出了漂亮的一步,而您,则推进了N多方面的发展,特别是,把薄膜的色彩也引入了哲学范畴。如果说我看得比较远,那是因为我站在你们这些巨人的肩膀上。

谦谦君子,莫过于此啊!

体貌直逼时迁的胡克读到后面这句,鼻子当时就歪了。

可是,这句巧妙尖刻的挖苦之言,却被作为科学巨人的自谦之语,为后人津津乐道,流芳至今。历史啊,教我如何说信你?

牛顿固然强悍无比,但这时还没成气候,而胡克正处于巅峰时刻,加上双方关于光的理论体系都不完善,所旗鼓相当,战争进入胶着状态。关键时刻,又一个强人加入了战斗。

克里斯蒂安•惠更斯。

前面说过,他是史上最著名的物理学家之一,同时还是天文学家、数学家。他在力学、光学、数学、天文学等领域均有杰出贡献,是介于伽利略与牛顿之间一位重要的物理学先驱、近代自然科学的重要开拓者之一。向心力定律、动量守恒原理等都是他的手笔。

这位荷兰天才年纪轻轻便受人尊敬。1663年,小惠被英国皇家学会聘为第一个外籍会员。1666年,法国皇家科学院刚刚成立,便迫不及待地邀请小惠出任院士。

其实,小惠并非不宣而战,他早就表明了立场,只不过,他花了更多的时间在磨刀。虽说艺高人胆大,但,真正的高手,从不草率行事。

1662年,惠更斯去英国访问时,结识了牛顿和胡克。那时,小惠已经是大名人,他很赏识名人小胡同志,以及小名人小牛同学。天才们难免惺惺相惜,他们相谈甚欢。不过,话题进入到光的本性时,三个人产生了分歧。小牛同学与小胡同志的意见相反。小惠那时虽然没有对光做深入研究,但他一分析,觉得小胡同志的意见比较靠谱。

可是,科学这个事,就得科学对待,不能搞少数服从多数,也不能搞民主集中制,没有足够的证据,便谁也奈何不了谁。这是合理的。否则,科学就会办成科室。

互相搞不掂,就只好各自回营,另做主张,以图后计。

1666年,小惠来到法国皇家科学院后,开始把更多的精力投入光的研究。

他把格里马尔迪等人的光学实验又做了N遍,发现很多现象如果用微粒说来解释,就好比很多人祸非要用天灾来解释一样,无法自圆其说。但是用波动说解释起来,就靠谱多了。

然后,小惠在胡克理论的基础上,完善和发展了波动说,提出了更完整的理论:

首先,光是一种波。是一种什么波呢?机械波,就是机械振动在介质中的传播。

其次,光以什么介质为载体来传播呢?以太。

再次,光是一种纵向波。所谓纵向波,就是振动方向与传播方向相同的波,比方说空气里的声音,是空气分子沿传播方向往复振动产生的波。那么,横向波,当然就是振动方向与传播方向垂直的波了。比方说水波,它沿水平面传播,但振动方向是垂直于水平面的,上下往复,这就有了波峰和波谷。

最后,波面上的每个点,都可作为引起介质振动的波源。这就是著名的惠更斯原理。

根据这套理论,小惠证明了光的反射定律和折射定律,还解释了光的衍射、双折射等现象。

小惠不出手则已,出手就惊人,这套动作稳扎稳打,步步为营,看似不疾不徐,但劲道雄浑,绵绵不绝,如巨轮启航,势不可当!

但,一座冰山挡住了去路。

牛顿。

1675年,小牛同学拿起一块曲率半径很大的平凸透镜,把它的大肚子顶在玻璃板上,让白光透过凸透镜和玻璃板,猜猜看发生了什么?这是一道选择题:

1.光被聚焦,出现一个亮点。

2.光被重整,出现靶状彩色同心圆。

3.光被扩散,出现一个放大变暗的圆。

4.光被分散,出现一条七彩色带。

哈哈,您还真划了?I服了U,划对了,答案是2。

没错,牛顿看到一个个彩色的同心圆,环环相套,组成一个美丽的靶,靶心就在凸透镜与玻璃的接触点上。

那么用单色光入射,又会怎么样呢?当然靶还是那个靶,只不过,没那么多色彩了,是那种单色光明暗相间形成的同心圆。

这就是著名的牛顿环。(奇怪,我怎么想起太上老君的金刚琢了?)

这种奇怪的东西为什么会降临人间呢?牛顿解释道:

每当光线通过折射面时,它就会瞬间改变自己的状态(我们简称之变态);通过折射面后,又开始复原,而复原是为了顺利通过下一个折射面。就像恋爱、受伤、复原、再恋爱。

但是,当反射折射透射的频率非常高、速度非常快时,就会出现这种情况:光还没等完全复原呢,就遇到下一个折射面,这时,光更容易被反射。这就好比你失恋了,身心俱疲失魂落魄,不等恢复当日风采,就开始追求下一个,当然更容易被拒绝了。牛顿把两次复原的距离称为“阵发间距”。

凸透镜面与玻璃板面之间,距离均匀变化,光穿越它俩时,一阵容易反射,一阵容易透射,经过它俩复杂而又有规律的反射透射折射,光微粒在不同半径分布不同,就形成了美丽的牛顿环。

这个理论解释了牛顿环,就意味着它也能解释云母、肥皂泡等薄片的彩光现象。

也就是说,波军赖以生存的根据地要失守!

居然能用微粒说解释波干涉现象,这种牛事,也只有牛顿这种牛人,才做得出来。

该理论虽然体积庞大,结构复杂,但使用效果还是蛮不错的。

杯具了。波军一班伟大棋手的脸一阵痉挛,又做不出什么别的表情,只好习惯地挤出淫贱的笑:要不,咱共同开发?

管他波波粒粒的,大家和和气气、有得棋下才是真。走什么子不要紧,要紧的是姿态!要是一般人,这样也就过去了。观棋不语真君子嘛。

可恨的是,偏偏小惠不一般,而且很不一般。

小牛同学放出的这座冰山固然威武雄壮,但小惠启动的那艘巨轮,不仅体大能容、威猛能行,它还有个兼职:破冰。所以它的芳名既不是巨轮,也不是破冰船,而是破冰巨轮!

破冰巨轮很快找到冰山的软肋——一条大大的裂痕。

小牛同学的理论虽然解除了人们对牛顿环的疑惑,但作为科学理论,它太麻烦。就好比设计一套复杂的连锁机关打鸡蛋,看起来眼花缭乱,技术精湛,其实效果还不如拿起鸡蛋磕一下。简洁,是自然真理的重要特征。这个,地球科学家都知道。

光透过折射面时,为什么要改变状态?

光透过折射面后,又凭什么恢复状态?

小牛同学含糊地应付道:“至于这是什么作用或倾向,它是光线的圆圈运动或振动,还是介质或别的什么东西的圆圈运动或振动,我在此就不去探讨了。”

小惠一看,这样也行?不给力啊!别看牛顿环 made in 你们粒军统帅,可不幸的是,它不是你们粒军的武器,反而是我们波军的有力证据!

无间,从这里开始。

牛顿环现象,与格里马尔迪同志解释的薄膜色彩是一个道理,小牛同学所说的那个复杂的“阵发间隔”,其实很简单,就是光的波长。与肥皂泡、云母等薄片的区别是,凸透镜与玻璃板之间,两个反射面的距离变化更有规律,所以光的分布也更有型,变成了帅帅的牛顿环!

1678年,惠更斯完成了《光论》,将其提交给法国科学院,还公开演说,反对微粒说。顺便提出了那个著名的问题:如果光是微粒,那么,光相遇时,微粒们为何不相互撞得四处飞散——难道它们都懂得右侧通行,而且有临时协警维护秩序?!

《光论》于1690年出版。

波军就这样保住了岌岌可危的根据地。

但,这是一片有争议的领地。

强大的惠更斯没想到,他的破冰巨轮设计有缺陷。而且,按照惯例,是祸,就不好意思单行的。

两大缺陷。后来随着粒军的穷追猛打,以及波军的自检自查,逐渐浮出水面。

惠更斯发表论文和演讲时,英吉利海峡对岸,小牛同学似乎什么也没听到。因为另一个声音吸引着他。

刀和磨刀石缠绵悱恻的幽幽之声。

懂得磨刀的高手,不只是小惠。

惠更斯轰轰烈烈破冰前行、大搞波军复兴运动时,牛顿也没闲着,他在闭关修炼,悄悄地建造他的超级航母,身稳甲厚,你亮倚天剑,我置屠龙刀,一一化解波军的杀招。但抵御和化解不是目的,目的是消灭。所以,这不算完。牛顿给这艘超级航母配备了一颗超级核弹。这才满意地端详起他的大作来。

可以开到波方大陆架上去了吧?

不。

坐拥大规模杀伤性武器的牛顿不动声色。他在等待。

等待那个最佳时期,一击制胜。他不想打持久战、拉锯战、地雷地道麻雀战。

1687年,人类科学史上划时代的伟大著作——《自然哲学的数学原理》横空出世,地球人都知道,作者是牛顿。物理帝,不,科学帝!世界为之倾倒。

那航母,可以开到波方大陆架上去了吧?

不。

已经坐定“史上影响力最大的科学家”位置的牛顿,依旧按兵不动。

1695年,惠更斯逝世。

1703年,胡克逝世。这一年,牛顿被推选为英国皇家学会会长。

用不着航母了吧?

不,启航!

(波面上的每个点,都可作为引起介质振动的波源。就好比多米诺骨牌,每张牌既是受力者,也是发力者。

惠更斯从弹性碰撞理论出发,认为,每个发光体的微粒把脉冲传给介质微粒,然后依次下传,我们想象一下一群相互紧贴的台球,振动其中一个会怎样,类比一下就理解了。这样,微粒本身不前进(声音也是,空气分子传递振动,但不前进,你听到我说话,并不是在我嗓子里振动的那些个空气分子进到你耳朵里去了),但能同时传播向四面八方行进的脉冲,于是光束彼此交叉而不相互影响。

惠更斯根据这一原理,经过复杂的数学推导,证明了光的反射、折射等定律。具体怎么推导的。。这个嘛,俺是数学盲+物理盲哦 嘿嘿。

)

1704年,牛顿拿出珍藏N久、修改N遍的一部手稿,正式出版发行,它的名字简洁而有威仪:《光学》。

这就是那艘超级航母。

它配备了各种新式理论武器,攻击力达99!并且基础厚实,理论各部都有实验支持,所以防御力也是99!!观其形,可知牛顿行事之谨慎;赏其技,可叹牛顿用心之良苦;品其能,可见牛顿决心之坚定!

航母直接开到波方军港,当头就是两炮。

第一炮:纵波类比。您说光是一种纵波?好吧。它的纵波姐姐——声波可以绕过障碍物。您在墙的一面说话,我在墙的另一面的任何位置,都听得到(当然这面墙不要太长,如果是长城,您在山海关喊破嗓子,我在嘉峪关的同一面,也听不到)。既然大家都是纵波,那么,就让你们的光波也学学人家声波,绕过障碍物,从此以后不要产生影子了。不然,就把光开除波籍,归我粒族。

第二炮:双折射。您只分析了过程和结果,它产生的根本原因,您解释不了吧?

说起这个双折射,话就长了。我们知道,有些东西,它在不同方向上,某些性质也不同。比方说您突然爱心泛滥,抚摸您家小刺猬,顺刺摸,很滑很顺利,您和刺猬都舒服;逆刺摸,那完了,又扎又别扭,刺猬不舒服,您更不舒服。这种不同方向有不同特性的现象,叫做“各向异性”。一些晶体就是这样,沿晶格的不同方向,原子排列的周期、疏密都不太一样,见过骰子吧?把一个玻璃骰子看成晶格,把点数看成原子,就明白了。这就导致它不同方向上的物理、化学性质不同。

冰洲石,也就是无色透明的方解石,就属于这样一种晶体。光透过它,会被折射成两股——我们透过它看到的东西重影!这就叫“双折射”现象。

惠更斯在《光论》中,是这样解释双折射现象的:

根据惠更斯原理,光入射到晶体时,晶体微粒就成为传递光脉冲的“次波源”。

各项同性的次波源,只发出一种球面次波,朝一个方向传播。

各向异性的次波源,发出球面、椭球面两种次波,只好沿两个方向传播。

据此,小惠还做出了精妙的几何图解,精确计算了光被分裂成两束后的折射方向,可谓功德圆满。

真的很圆满吗?牛顿问,作为一种纵波,光凭什么让它的次波源发出球面、椭球面两种次波。您能解释吗?

波军对着高山喊:惠经理!山谷回音:他刚离去……

惠更斯躺着不说话。

这两颗重磅炮弹把波军轰懵了。早知今日,不如共同开发……瑟瑟秋雨中,有人含泪道。

牛帅,收兵?

No!把那颗炸弹也扔过去!

质点力学。

牛顿说,物质都是由微粒组成,光也是。这些微粒的运动规律,用质点力学可以搞定,而质点力学遵循的是牛顿定律!

牛顿定律是什么?是经天纬地的金科玉律!

开了这么大一个挂,你无敌了!不带这么玩的。

这就是那颗核弹。

波军彻底崩溃了,他们无助的眼神瞄向胡克和惠更斯。

胡克和惠更斯情绪暴稳定,异常正常,纷纷表示关我P事,俺现在专职睡觉,酱油都懒得打。

这就是为什么牛顿要耐着性子等到这个时候发动总攻。无人招架啊!

什么样的进攻最有制胜把握?

不是最凶猛的进攻,而是无人抵挡的进攻。

一个理论,或者别的什么主张,有人及时提反对意见,这是好事,因为反对意见实际上是一种最好的检查和维护工作,最有利于事物的修正和完善。

在科学界,这类例子更是一抓一大把。很多如雷贯耳的科学理论,都是经过“批评→修正→争论→完善”这些千锤百炼的过程而走向辉煌的。这方面最负盛名的就是量子论,爱因斯坦和波尔的世纪论战,就像赤道炽烈的阳光和丰沛的雨水,催生了量子力学的热带雨林。这是后话,以后再提。

如果胡克和惠更斯在世时,牛顿指出波军的软肋,说不定这两位天才会妥善解决问题,修正完善波动说,使之屹立不倒。

但牛顿居然忍住没说,直到他们再也无力解决任何问题时,才把问题提出来。

于是波军全面溃败,被扔进历史的角落,粒军一统天下。

这一统,就是一个世纪。

作为战略战术,牛顿的做法堪称完美,技术含量高,应用效果好。得了便宜还顺便卖个乖:避免与胡克冲突。大度啊!遗憾的是,那时诺贝尔还没出生,不然这和平奖……

完胜。

作为科研工作,这种做法不地道,也不厚道,不值得提倡。它不利于科学理论的健康协调可持续发展。

如果说,这个过错与牛帅的功绩比起来,实在不值一提的话,那么,接下来发生的事,就无论如何也说不过去了。

牛顿剥夺了胡克在光学上那一席之地的使用权。这还不算完,身为皇家学会的主要领导干部,他把胡克的相关信息列为敏感词,拼命屏蔽,可怜的小胡逐渐淡出人们的视野,声望降至冰点。

为了防止胡克死灰复燃,牛会长抓住皇家学会拆迁的有利契机,利用职权,使胡克的收藏啊、仪器啊、文件啊等珍贵文物被丢失,连胡克仅有的画像也未能幸免!这事在前面提到过。

2003年,一位历史学家宣称找到了胡克画像,但经辨认,那是比利时化学家海尔蒙特的画像。在一份幸存的文件中,有胡克的封印,封印上有个头像,但没法认定它就是胡克的头像。

于是,到目前为止,胡克在后人心目中,一直是一个矮小模糊的影子,也许将来,或者永远也无法清晰起来。

唉,要不要这样凶狠这样残忍啊?牛爷,让俺说您什么好!

不过,牛顿固然狭隘,胡克也不是没有责任。

胡克用他的彻骨之痛告诫我们:压制后辈实在是一桩不划算的买卖,而压制才华横溢的后辈,更是取百害而拒万利的蠢事。

首先,这耽误工作。不过对压制者来说,这倒不十分要紧。既然压制了,就没把工作当回事。何况,工作早晚有人去做。

其次,压制人家,招来仇恨的概率是100%。而人,总是要老的。子是怎么曰来着?以德报怨,何以报德?!你老了,人家正当年,所以,招来报复的概率低也低不过50%。这就很要紧了,这是多大的风险啊,简直是在自掘坟墓!

这样看来,遇到略有瑕疵的后辈人才,能点拨抬举一下,相当于给自己买了潜力不错的原始股;实在看不顺眼,就别招他,大路朝天各走一边,戒恶也算积德了;你非要堵人家的路,那就先掂量掂量自己的后路,别看宽度,看长度。

扯远了是吧?其实不远。无论是政治还是科学,怀一颗开明之心,广纳异见,是利己利人的双赢之道,是利国利民的万用之方。

牛爷《原理》一出,人类科学史乃至整个文明史就翻开了新的一页,其影响所及,遍布自然科学的所有领域。人们对牛爷的倾慕之情连绵不绝、泛滥成灾。无以言表之际,只有顶礼膜拜。

常言说得好,拜屋及乌。大家顺便也把《光学》也给膜拜了,重复牛爷的实验,验证牛爷的理论,成为一种时尚,大家纷纷表示坚持牛爷的标准答案一百年不变,并郑重指出:凡是牛爷提出的观点,我们都坚决维护,凡是牛爷的理论,我们都始终不渝地遵循。

眼看快到100年了,同志们欢欣鼓舞,开始筹备“迎接伟大光荣正确的牛家微粒光辉思想稳定100周年大型焰火歌舞升平团拜会”,领导致辞写好了,焰火招商的事都内定了,搬运焰火的临时工也雇齐了,甚至晚会上准备颁发的“科学脊梁奖”的金脊梁奖杯都定制了,纯银包金……万事俱备,只欠报销。

但是,偏偏在这个节骨眼上,有人不开眼,不长眼,跳出来搅了一通浑水,破坏了在微粒思想的光辉指引下,伟大光学事业团结统一的大好形势。

是谁这么大胆,竟敢冒天下之大不韪?!

托马.杨。

一般介绍说他是英国医生、物理学家。其实这样介绍也不太准确,因为他不仅在医学界是权威,在物理界是英才,而且在工程、语言、考古、艺术等方面也都玩出了水平,超一流的水平。

这其实是一个天才玩主。或者说是超级玩家。花朵时期的成长经历:

2岁会阅读,从此狂爱读书,很遗憾那时没有欣闻连播、良民曰报和参考的消息。

4岁能熟练背诵大量英国诗歌和拉丁文诗歌。

6岁前已将圣经看过两遍,还会用拉丁文造句。

9岁掌握了一门手艺——车工,自己DIY一些物理仪器。注意,不是厨卫用具,而是物理仪器,它跟两个字密切相关:精密。

14岁前,掌握10多门语言。奇异之处不止于此,他不仅对这些外语当前时代的听、说、读、写样样精通,还对它们的古文颇有研究!

15岁左右学会微积分和制作显微镜与望远镜;

中学时期,读完了牛顿的《原理》、拉瓦锡的《化学纲要》等科学著作。

19岁,到伦敦学医,并涉猎音乐、绘画等艺术。

21岁,由于研究了眼睛的调节机理,成为皇家学会会员。

22岁,到德国格丁根大学学医。

23岁,取得医学博士学位。

……

人送绰号“奇人杨”。

小杨兴趣广泛,涉猎力学、数学、光学、医学、声学、语言学、动物学、埃及学等风马牛不相及的多种学科,在光波、声波、流体动力、造船工程、潮汐理论、毛细作用、测量引力、虹的理论、生理光学等方面做出贡献。

除了纯粹的科学,他居然还是保险经济问题、航海天文学方面的专家,可以作为一个不错的职业来养家。

更让人羡慕嫉妒恨的是,把这么多门学术搞得出类拔萃的同时,他还有精力研究艺术,他画画得好,几乎会演奏当时的所有乐器,擅长骑马,并且会玩杂技走钢丝!

他的主要贡献:

杨氏双缝实验,被评为“物理最美实验”之一。

杨氏模量,用来测量物体的弹性。

视觉和颜色,生理光学创始,提出人眼会自动调节以适应所见物体的远近。提出三原色原理 。

医学,在血流动力学方面贡献突出。

语言,对400种语言做了比较,提出“印欧语系”。

考古,最先尝试翻译埃及象形文的欧洲人之一。由于他的成果,诞生了一门研究古埃及文明的新学科。

说了这么多,是因为我偶尔看到网上有人专门说这个天才的一个实验造假,而这个实验正是我们下面要介绍的。这种奇才,在一个人人都能拿过来试试真假的简单实验中造假,那就不是脑子进水能解释得了的了。

双缝实验。

那是在1801年。

托马斯•杨在实验室里玩,玩具是三块板子。像我们小时候一样,他很淘气,让三块板子面对面立起来排好队,还把其中两块板子弄破:第一块钻出一个细孔,中间那块搞出两道平行的细缝,饶了第三块不破。

然后,他拉上厚重的窗帘。海内外著名青年诗人罗玉凤(笔名凤姐)的两句诗就变成了现实:

天还没有黑。

天已经黑了。

黑暗中,托马斯•杨拿起刀,不,他点燃了一盏灯。将它放到钻孔的板子前,灯光透过小孔,射到中间的板子上,透过两条细缝,投射到完整的板子上。

猜猜,我们会看到什么?这又是一道单项选择题,请在下面的答案中选一条你认为正确的划“√”。

1. 两道细细的、平行的光条,它俩亮度相同。

2. 很多光条,明暗不一。

3. 一个亮度均匀的光块。

4. 一个光块,两道光交叉的地方比较亮。

5. 一个光块,两道光交叉的地方比较暗。

您划的真是越来越顺手了!划在哪个答案上了?

对了,答案还是:2。

是的,托马斯•杨看到了很多光条,他数了数,不止五道杠,而是N道杠。

你说这是为什么呢?

小杨解释道,这是纵波相互扰动的结果。

要了解纵波扰动,咱还真得先大概认识一下纵波。我们从声音开始,因为有相当熟悉的空气做媒,理解起来很方便。

我们知道,声音也是一种纵波,空气分子有规律的振动,就产生了有规律的挤压,让空气产生有规律的疏密变化,并向四周传播,这就是我们听到的声音。我们管它叫声波。

声波的职业是简单重复劳动,“密→疏→密”,或者“疏→密→疏”,就完成了一次振动任务,术语叫一个振动周期。一个振动周期所传播的长度,就是声波的“波长”。

在1秒钟内,完成振动周期的次数,叫频率。不管声音的波长是多少,它在相同介质内,传播的速度都一样(1个标准大气压,15℃,音速是340米/秒)。

所以,波长越短,频率越高。这很好理解,姚明和潘长江一齐跑步,姚明一步3米,潘长江一步1米,要在相同的时间内,跑完相同的距离,谁的频率更高?换句话说,谁需要更多步跑完?当然是潘长江!波长(步子)越短,频率(步数)越高。他的两条小短腿要紧着倒腾才行。

波长决定了声音的“音高”。所谓音高,顾名思义,就是声音的高度,它不是声音的大小,而是我们平常说的声音的“粗细”。波长越短,频率越高,其音高也就越高,也就是声音越“尖”,反之,声音越粗。女人声音的波长,比男人声音的波长要短一些,所以听起来“尖”一些。吵架,男人通常不是女人的对手,除了女人天生的语言能力,以及神奇的跳跃式思维以外,我想,或许音高也是一个重要因素?

声音的大小是振动幅度,也就是疏密对比的程度决定的。疏密对比越强,声音越大;对比越弱,声音越小。

那么,两波相遇,是不是大~~者胜?

不一定。因为声波是可以相互穿越的。

我们人耳在听到一大一小两个声音时,往往忽略掉小的,这并不表明小的声音消失了。它不仅没消失,而且极有可能没有减弱,甚至在某些地方,借助大的声音加强了!因为声音是空气有规律的“疏”、“密”变化。所以,当两道声波的“密”遇到“密”,就会更密,相当于正数相加;当然,当“密”遇到“疏”,就是正负相抵,相互减弱。

如果让同一道声波穿过并列的两道狭缝,发生衍射后相遇,由于它俩波长相同,疏密重叠的部位就会很有规律,于是,产生有规律的加强和减弱。

光作为一种纵波,也会这样。小杨说,穿过两条狭缝的光在相遇时,有规律地加强和减弱,投射到屏幕上,就成了明暗相间的条纹。这种互相骚扰对方内政的行为,俺给他取了个名字:干涉。光的干涉。

所以呢,光是一种波。一种纵波。不是微粒。

所以呢,牛顿……错了。

“你你你说谁错了?”无数双错愕的眼睛盯着小杨,全都怀疑自己听错了。搞得小杨一时以为自己说错了。

“你火星来的吧?” “知道牛顿是谁不?”人们期待着小杨给出另一个答案,心砰砰地跳着,这是小杨的一个机会,也是大家的一个机会。

“牛~顿……错了。”小杨弱弱地说。被无数双异彩纷呈、内涵丰富的眼睛盯着,任谁也要心里发虚。但小杨还是说了心里话。

“胡说!胡说!”有人害怕了,害怕得愤怒了。要是让领导听见,此处如此不稳定,岂是尿一裤子就能过关的?!

“胡说胡说胡说!!”他们企图用异口同声的重复掩盖这不和谐的一幕。

“胡克已经不在了。”有人提醒道。

“那……你造谣!”“永远伟大光荣正确的牛爷怎么会错?!”大家七嘴八舌,义愤填膺,恨不能把那一挂忠心义胆,捣碎了涂在脸上,招摇成一面引领导瞩目的旗帜。

“可是,你们看看这美丽的干涉条纹,如果光不是波,它怎么会这样?如果光是微粒,它又怎么会这样?”小杨苦口婆心地解释,“难道,微粒们参加过朝鲜高清人肉LED训练,走路不列队踢正步,都不好意思跟人家打招呼了?”

大家闻言愕然。

“马上快对100年了,怎么会突然错了?上面出什么事了?有内幕消息没?小道的也行。”有人动摇起来。

“闭嘴!闭嘴闭嘴全都闭嘴!!即使上帝错了,牛爷也不会错!!!他也不能错!!!他错了,我们怎么办?!人类怎么办?!!地球怎么办……银河系、麦哲伦星系和仙女座几亿亿亿受苦受难的阶级兄弟怎么办?!!怎么办怎么办怎么~~~办?!!!!”此人涕泪滂沱,一式咆哮问天,更是深得马教主真传,惊得小杨险些放弃观点。

“但是,他的确错了。”小杨无奈地叹了口气说:“尽管我万分仰慕牛顿,但是我并不因此而认为他是万无一失的。我遗憾地看到,他也会弄错,而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。”这句话,他写入名为《关于声、光的实验问题》的论文,提交给英国皇家学会。他还在英国皇家学会的《哲学会刊》上发表论文,解释了“牛顿环”和自己的实验,提出了光的干涉的概念和定律。注意,定律哟!

这是战书。也是战鼓。

波军的灵魂从历史的角落聚拢、复活。

粒军从百年前就守着牛爷的超级航母,以为靠这个就可以仙福永享、寿与天齐、千秋万代、一统江湖。所以这些年干的事,不是招贤纳言,发展高新科技,武装航母,与时俱进,而是给它镀金披花,涂脂抹粉,树碑立传,挂牌授勋。因了个此,超级航母除了体重增加了一些些之外,其余没什么变化,也就是说,没长什么本事,还是那两炮一核。

按说,这两炮一核威力也够大,足以对付大部队了。何况,波军还算不上什么大部队,顶多算个连队。

但是,人家连长这次是开着灰机来的,有高度,这两炮一核够不着人家。

更要紧的是,人家正居高临下,投弹仓正对着航母的弹药库——只要人家投中了,粒军的弹药就要为波军盛开了!

粒军一时竟不知如何应对,情急之下,纷纷使用原始武器:否定、嘲笑、挖苦、毁谤。还有,愤怒。

不仅粒军愤怒,粒粉、牛粉也愤怒起来。英国政治家布鲁厄姆忍不住跑到物理界插了一杠子,给小杨的理论连戴三顶帽子:“不合逻辑的”、“荒谬的”、“毫无价值的”。

1803年,小杨在空中玩了个特技,他在论文《物理光学的实验和计算》中,用独门利器

“干涉定律”,对衍射现象作了分析,得出结论:光之所以衍射,是由于直射光束与反射光束相互干涉。

但是,这个特技一玩不要紧,露出了一个破绽:如果光是一种纵波,得到上面这个结论就要遇到很多麻烦,证明起来很牵强。就好比从家门口走到卧室,本来几步就到,但你非把上海世博会的排队栏安在家里,那张床近在咫尺,可你居然在蜗居里走出长征的距离来!

你说谁错了?无数双错愕的眼睛盯着小杨,好像在看火星人。

可是,我们怎么解释这干涉条纹?如果光是微粒,它怎么可能这样?难道,微粒们参加过朝鲜高清人肉LED训练,走路不列队,都不好意思跟人家打招呼了?

都对100年了,怎么突然错了?上面出什么事了?有内幕消息没?小道的也行。

牛爷怎么会错?他错了,我们怎么办?人类怎么办?地球怎么办……银河系几亿亿受苦受难的阶级兄弟怎么办?!

……

“尽管我万分仰慕牛顿,但我不能因此认定他万无一失。我遗憾地看到,他也会弄错,而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。” 小杨无奈地叹道。这句话,他写入名为《关于声、光的实验问题》的论文,提交给英国皇家学会。他还在英国皇家学会的《哲学会刊》上发表论文,解释了“牛顿环”和自己的实验,提出了光的干涉的概念和定律。注意,定律哟!

这是战书。也是战鼓。

波军的灵魂从历史的角落聚拢、复活。

粒军从百年前就守着牛爷的超级航母,以为靠这个就可以仙福永享、寿与天齐、千秋万代、一统江湖。所以这些年没想到给航母改改装,让它与时俱进,只知道给它镀金披花,树碑立传,挂牌授勋。因了个此,超级航母只长了体重,没长本事,还是那两炮一核。

按说,这两炮一核威力也够大,足以对付大部队了。何况,波军还算不上什么大部队,顶多算个连队。

但是,人家连长这次是开着灰机来的,有高度,这两炮一核够不着人家。

更要紧的是,人家正居高临下,投弹仓正对着航母的弹药库——只要人家投中了,粒军的弹药就要为波军盛开了!

粒军一时竟不知如何应对,情急之下,纷纷使用原始武器:否定、嘲笑、挖苦、毁谤。还有,愤怒。

不仅粒军愤怒,粒粉、牛粉也愤怒起来。英国政治家布鲁厄姆按捺不住,扎到物理学家堆里插了一杠子,给小杨的理论连戴三顶帽子:“不合逻辑的”、“荒谬的”、“毫无价值的”。

1803年,小杨在空中玩了个特技,他在论文《物理光学的实验和计算》中,用独门利器

“干涉定律”,剖析了衍射现象,得出结论:光路过物体边缘会发生衍射,是直射光与物体边缘的反射光相互干涉导致的。

但是,这个特技一玩不要紧,露出了一个破绽:如果光是纵波,得到上面这个结论就要遇到很多麻烦,证明起来很牵强。就好比从家门口走到卧室,本来几步就到,但你非把上海世博会的排队栏安在家里,那张床近在咫尺,可你居然能在蜗居里走出长征的距离来!

越绕越不靠谱——这是科学理论定律。

粒军长舒一口气,嗤之以鼻:基本功有问题,弹道不稳,投弹不准。

这口气是舒了,但依然只能眼巴巴地看着小杨的灰机灰来灰去——对干涉条纹,没人能用微粒说做出令人满意的解释。

一时间,这以一敌无数的战局居然进入了相持状态!

万人敌算什么?小杨差点就成了全民公敌!

粒军鸭梨坡大,小杨鸭梨山大。因为这个鸭梨只有他一个人扛。

虽然表面上看起来,凭借光的干涉条纹这一新式武器,粒军奈何不了小杨,但三人成虎啊,何况是成千上万人!这舆论受不了。

小杨顶着巨大的压力,花了好几年时间写了一本书,名为《自然哲学与机械工艺课程》,于1807年发表,来宣传波动观点,却创造了销量最低的纪录,只卖出去1本。是的,你没看错,1本。名人出书也难啊!

无人喝彩,不要紧。但懂的、不懂的全都反对,甚至被人讥讽为疯子。这事不好玩,我还不如玩点别的。1816年前后,小杨保留了意见,把光学放在一边,考古去了。

小杨虽然离开了战场,但,他留下的那架灰机,仍在超级航母上空盘旋,成为粒军梦中的阴影。

英国这边战事频仍,法国那边也没闲着。

1808年,微粒说的死党、法国数学家、天文学家拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射现象,用以批驳小杨的波动说。但他的理论不尽人意。为此,他设立了“光的双折射理论研究”奖,征集新成果。

双折射研究的事还没搞掂,光学的又一块新大陆被发现:偏振光。发现者是法国物理学家、军事工程师马吕斯。

马吕斯准备拿下那个奖,于是,他一头钻进实验室。1809年,小马哥在搞折射试验时,发现一部分光是偏振的。这意味着,不管光是什么,它绝对不会是一种纵波!

这么厉害,居然能一票否决!

那么,光的偏振又是怎么回事呢?

其实,偏振光离我们很近,现在影院的高清立体电影,用的就是偏振光原理。

我们的双眼有一定距离,看东西的角度有点小差别,这叫“视角差”。大脑把两张有“视角差”的图像综合处理一下,就能识别远近——也就是感觉“立体”了。

为了实现立体效果,电影在拍摄、放映时,都模拟眼睛的视角差,用左右双机同时拍、同时放。为我们提供了有视角差的两个图像。这是第一步。

这两个图像,同时出现在一张屏幕上,一定重影。所以,让每只眼睛只看到属于自己的图像,是关键的第二步。

这时,“偏振片”闪亮登场了。这个名字听起来很高深,但实际上,它就是一个过滤光的薄片。我们看看它的制造过程,就知道,经它过滤的光是什么“形状”了。

材料都很常见:一块高透明的薄膜,它的分子排列为网状结构,用碘浸染之,然后用硼酸水还原稳定,再单向拉伸4-5倍。这样,碘分子就很整齐地排列在这块膜上,像细密的梳子。

我们知道,梳子齿缝可以通过两类东西,一类是直径小于齿缝的物体,比如头发、细小颗粒等;一类是宽度和长度虽然大于齿缝,但厚度小于齿缝的物体,比如纸条、卡片等薄片。薄片通过梳子,有一个条件,就是让薄边顺着齿缝,否则会被挡住。

放电影时,两台放映机前各装一块偏振片,“梳子齿”方向一横一竖,把光过滤成一横一竖两道偏振光,我们戴的眼镜,镜片也是两块偏振片,横竖与放映机的相对应。横的只能透过横光,竖的只能透过竖光,于是,我们的两眼分别看到有视角差的影像,大脑就误以为图像是立体的了。

花了这么长时间来了解偏振片的工作原理,还是值得的,因为我们得到一个重要的信息:光的形状居然是“扁”的!

通常光源发出的光,它的“薄边”在与传播方向线垂直的各个方向上均匀分布,这叫自然光。经偏振片过滤,只剩下与偏振片“梳子齿”方向相同的光,这种“薄边”方向相同的光,就是偏振光。

我们做个试验就清楚了。拿两把齿缝一样大的梳子,面对面排列,齿方向一横一竖。

先用铁丝和颗粒试着穿过梳子,我们发现,铁丝和颗粒只要能穿过第一把梳子,就能穿过第二把梳子。

现在用薄片来做实验,长和宽大于齿缝,厚度小于齿缝。让薄片的薄边顺着第一把梳子的齿缝穿过,到达第二把梳子时,就过不去了。想过去只有一个办法:让两把梳子的齿方向相同。

这和偏振片只能透过相同方向偏振片所过滤的光,是一个道理。

所以,偏振光的原理告诉我们,光不是微粒,不是均匀光滑的线。

也不是纵波。因为光纵波理论认为,光是介质微粒沿传播方向振动,传递光脉冲形成的,也可以看成一根均匀光滑的线。即使不是均匀光滑的线,沿传播方向振动也不可能形成“扁”的形状。

马吕斯当时发现的偏振光,不是用偏振片得到的,而是在做双折射试验时发现的。

那是一个黄昏,小马哥透过冰洲石看玻璃窗上反射的落日。

当然,他看到了两个落日,双折射嘛,很正常。

他开始转动手中这块神奇的石头,转着转着,神奇的事情发生了,始终坚持双折射的冰洲石或许被转晕了,它突然放弃了一个折射——其中一个落日消失了!

敏感的小马哥立即用其他光源做实验,用水面啊、玻璃啊来反射各种光,透过冰洲石,各种观察。

他发现,转动冰洲石,双折射的两个图像,亮度会交替变化,转到某个角度,会消失一个。

小马哥得出结论:经过折射、透射后,光的强度会随方向而变化。他给这种现象起了个名,叫光的“偏振化”,这种光,当然就是偏振光了。

通过反射、多次折射、双折射和选择性吸收的方法,都可以获得平面偏振光。

那时,小马哥虽然还没有意识到光的“形状”问题,但他天才地意识到,纵波理论是无法解释偏振现象的。

于是,发现光的偏振现象后,小马哥的第一个反应就是,用它一票否决了光是纵波的理论;第二个反应是,顺手搞定了偏振光强度变化的规律,也就是“马吕斯定律”;第三个反应是,用微粒说对偏振现象作出了令人信服的解释。这就是粒军梦寐以求的高新武器啊!

1810年,马吕斯获得了拉普拉斯设立的“光的双折射理论研究”奖。但是,大家心里都清楚,对双折射现象,波粒双方虽然都作出了解释,但都不完美,底气都不足。

小马哥对偏振现象的完美解释,给了波军沉重一击。

当时战场上形式很尴尬,波军解释不了偏振,而粒军虽然人多势众,也解释不了干涉。

但僵持,一般是不会持久的,总有一方hold不住。

1814年,史上最强的土木工程师加入了波军。

菲涅耳。

法国人。土木工程师是他谋生的专业。在这个专业里,小菲算不上最强。但他所做的事,在土木工程师中,绝对称得上史上最强。因为他反对的两个人,都称得上史上最强。

牛顿、拿破仑。

他俩分列人类史上最有影响力的一百位伟人第2位和第34位。

这份勇气,不是每个土木工程师都有的。何况,小菲还曾因反对拿破仑被关起来过。后来他全身而退,没在里面患各种怪病,以各种理由离开人世,说明早在那个年代,人家已经很开明了,难怪人家发展那么快。

我们这里要介绍的是,他反牛顿的光辉事迹。

在粒军对波军的围剿时期,小菲悄悄加入了势单力薄的波军。

1809年,小菲同学从巴黎路桥学院毕业后,走上了土木工程师岗位,他始终爱岗敬业,拼搏进取,为建筑工程科学发展和谐发展做出了贡献。

从1814年起,神奇的光学吸引了小菲同志清澈的眼睛,他干一行爱一行,爱一行精一行,终于崭露头角,在光学领域取得了突出业绩,受到领导和群众们的好评。小菲同志于1823年被选为法国科学院院士,1825年被选为英国皇家学会会员。

好,现在开始好好说话。

一切是从两根线开始的。

小菲让光从一个小孔中射入暗室,一条细细的光线笔直地投向屏幕。

小菲拿起另一根细线,拉直,把它交叉在光线中。他居然在屏幕上看到了彩色条纹!

眼熟吧?这是格里马尔迪和托马斯•杨两个实验的结合体,是衍射和干涉的共同结果。没办法,那时信息太不发达。

看着旖旎的彩色条纹,敏感的小菲一下子想起了旖旎的惠更斯。

他应用小惠的理论,成功地推导出光的衍射规律——波动说的证据,还写了报告,然后兴奋地提交到法国科学院。

为新发现激动的小菲同学忽略了一件事,那就是他的数学成绩不太好。

话说法国的科学成果鉴定渠道也真够畅通,一个名不见经的年轻人写的报告,居然落到拉普拉斯、泊松等物理名家手中。物理家的数学成绩都很好,尤其是拉普拉斯、泊松,他们首先是数学家,然后才是物理学家。看了小菲的报告,泊松等人很快就发现其中的数学缺陷。于是报告被退回,里面的物理思想没引起注意。

被名震四海的高手否决,对一个刚出道的新手而言,无异于灭顶之灾。

然而,小菲不一样。他有个最大的优点。

勇敢。

刚出道的第一件事,就是挑战人类顶尖高手牛顿的微粒说,被其他高手否决一下,又算得了什么呢?

聪明执著的小菲清醒地认识到了自己的瓶颈——数学。于是,他埋下头,缺啥补啥。

我们先给点时间,让小菲补习数学。现在,去看看开小差的杨连长干嘛去了。

考古。这对职业考古学家来说,是一项工作,但对托马斯•杨来说,这就是散心。小杨在考古界玩得很开心,还取得了让一般考古学家羡慕嫉妒恨的成绩。

既然是出去散心,那就注定,这是一个短暂的离开。

小杨心中始终没放下波军,他考虑来考虑去,脑海里出现了一个大胆的提问:是不是我军的指导思想出了问题?紧接着,出现一个同样大胆的答案:从根子上动手。

1817年,小杨重返战场,他放弃了波军先烈们“纵波”的理论,提出“横波”的假设。以此为根基,进行试验、论证、推导、计算……这个天才大笔如椽,波军理论体系焕然一新。衍射、干涉现象有了新的解释,粒军用来打击波军的王牌——偏振现象也迎刃而解。

横波理论的提出,解决了惠更斯理论的一大缺陷。

光是一种横波,振动方向与传播方向垂直。那么,光每一次振动,其矢量线与传播方向线(虚拟的)就形成一个平面,我们管它叫“振动面”。如果我们把这个振动面画出来,就像一张无比袖珍的弓,光振动的矢量线是个弧,像弓背,光传播的方向线,就相当于弓弦了。这就是为什么光的“形状”是“扁”的。

自然光的振动面方向不是固定的,也就是说,弓背并不总朝着同一个方向,而是各向均匀分布的。一道光线,就像无数个弓背,共用一根长长的、直直的弦,弓背随机朝向各种方向。

经过反射、多次折射、双折射、选择性吸收、或者偏振片梳子的梳理等手段,可以使弓背偏向某个方向,甚至都处于同一个平面,这样的光,就是偏振光。

所以,经过折射、透射后,光的强度会随方向而变化。这就是小马哥发现的光的“偏振化”。

这个解释,比粒军解释偏振的理论简洁多了。

粒军用来打击波军的高新武器,一下子变成了波军最有力的证据!

现在,光从纵波一下子变成了横波,那么,关于衍射和干涉的纵波解释该咋办呢?

其实很简单。改呗。

关于衍射,解释起来挺费劲,就让惠更斯来吧。

小惠认为,在同一时间内,从波源发出的波,所到达的各点,可以连成一个面,叫做波面。

波面上的这些点呢,又可以看做是新的波源,我们管它叫子波源,子波源们继续发力传递,形成新的子波面……以此类推,子子孙孙无穷匮焉。

如果没有阻碍,波就打算这样不厌其烦地连续传下去,力道均匀,形态圆润,直到筋疲力尽。

但是,障碍物无处不在。好在障碍物上还有缝可钻,这是波继续玩下去的希望。于是波撞在缝上,缝上的各点,就成了新的子波源,由于受到缝边缘的限制和干扰,这些子波源发出的波面发生了弯曲,传播方向向外扩散,这就是衍射。

惠更斯的这个理论适用于“纵波”,也适用于横波。

关于光的干涉,就好解释了。所以让小惠先歇会,我来解释:

光既然是横波,就有波峰和波谷。

我们知道,波的振动幅度,也就是振幅,决定了波的强度。

波峰、波谷有叠加效应。这里,我们把波峰看成正数,把波谷看成负数。

现在我们看看,波长相同、振幅相同的两波相遇会怎么样。

如果波峰和波峰重合、波谷与波谷重合,这叫“同相”,正数相加,波峰更高,负数相加,波谷更低,也就是波的振幅加强。结果是他们合二为一,成为波的增强版。

如果正好错开,波峰与波谷重合、波谷与波峰重合,这叫“反相”,正负相抵。结果是它俩扯平了,消失了。

那么,波长不一样的两波相遇会怎么样呢?我们可以类比一下波浪,找一张各种波重叠的波浪照片,仔细观察,我们会发现,在大波上,小波该怎么传播还怎么传播。而小波也不会对大波造成减弱或增强,也就是说,波长相差越大,它们之间发生干涉的可能性越小。

双缝实验实际上就是光的衍射和干涉的一场综合操练。

光通过两条狭缝,发生衍射,尔后相互重叠,发生干涉。由于它们来自同一束光,所以振幅、波长都一样,相遇时,在一些区域反相,在一些区域同相,明暗交替,投到屏幕上,就成了排布规则的条纹。

虽然横波理论还只是一个框架,但已经显示出高新武器的优越性。现在,波军既能搞定干涉,又能搞定偏振。粒军表示不淡定了。他们加紧演练,准备发动一场决战。

演练期间,我们去看看小菲补习得怎么样了。

小菲除了补习数学,还干了很多事。

他和阿拉果合作研究光学,阿果那时已经是法国著名的物理学家了,还是个冒险家。他此前是微粒说的粉丝。1816年前后,他俩发现,偏振光相互干涉与否,与偏振面的方向密切相关。偏振面相互垂直时,不能发生干涉;偏振面平行时,可以发生干涉。这是纵波无法解释的。也是微粒说无法解释的。

1817年,托马斯•杨写信,把崭新的“横波”理论告诉了阿果,阿果自然与小菲共享了这一信息。

经过各种实验,各种观察,他们认为,如果光是一种横波,那么解释偏振、折射、双折射、衍射、干涉等现象更完美,更有说服力。

这一年,法国科学院举办了一场科学大赛,悬赏征集论文,题目是用精确的实验和严谨的数学推导来验证光的效应。各级领导都非常重视,大赛很隆重,影响很大,各路高手纷纷应战。

可以说,这是一场粒军安排的大决战。

大赛评委有比奥(与小马哥是反对拿破仑的战友、狱友,兼粒军盟友)、拉普拉斯、泊松等名家,都是粒军将领,主席就是当年退回小菲波动论文的泊松。

乍一看,组织这场比赛,就是想发展微粒说,牢牢占领光的衍射啊、干涉啊、双折射、偏振啊这些领地,顺便泼一盆凉水,浇灭波军已经不太嚣张的气焰。

但评委会这样安排,并不是摆明了要搞一言堂和暗箱操作,而是从威望上来讲,人少势孤的波军里,除了杨连长,实在是没有什么拿得出手的人物,可以与这些评委坐在一起,但杨连长是英国人,他不是法国科学院院士,何况,就算邀请小杨去当评委,这个爱好广泛、业余文化生活无比丰富的天才还不一定有时间去呢。

于是,兵强马壮、人多势众的粒军运动员、裁判员熙熙攘攘地入场了,与中国乒乓球队的区别是,人家连裁判都是自己人。

回头看看,波军怎么没人上场呢?飞机晚点?倒时差?

一场似乎毫无悬念的比赛拉开了帷幕。

1818年,小菲和阿果把他俩共同研究偏振光线的成果,合作写成了一篇论文:《关于偏振光线的相互作用》,提交到大赛组委会。

论文阐述了光是一种横波的概念,论证了只有当光是横波时,才能完美解释光的各种表现。

小菲还发现了惠更斯破冰巨轮的第二个缺陷:用惠更斯原理,虽然能定性地解释衍射现象,但不能对衍射现象作出定量的分析!科学嘛,不能定量,就没底气。你说火箭利用热气流的反作用力能上天,定性了。那好,多少燃料能推动多少重量上天?能发射多远距离?这个量定不了,我们只能用这个原理玩钻天猴鞭炮。

小菲顺手给这个理论打了个补丁:任一时刻的波面,并不是简单地由子波的包迹形成的,而是它们互相干涉的结果。所谓包迹,就是这样一个弧面,它与同时刻的子波面都相切,把它们包在弧面内。这个补充,诞生了惠更斯原理的增强版:惠更斯-菲涅耳原理。

最重要的是,经过一段时间的恶补,小菲的数学成绩突飞猛进、今非昔比,他用严谨的数学推导证明了这个的理论。

人数虽少,但看起来准备很充分。

然而,就连小菲和阿果之间,也存在分歧。

阿果始终对波动说持怀疑态度,所以,在论文提交前,冒险家阿果鼓足勇气对小菲承认,他没有勇气发表这个观点。拒绝在论文上签名。

现在,比冒险家更有勇气的小菲,代表波军站在赛场上,孤独地面对兵强马壮的粒军。

你是第十届奥运会上的刘长春,还是长坂坡上的赵子龙?

论文依然落到了泊松的手里。

泊松大师拿着这份试卷一检查,没有错别字,逻辑清晰,推理严谨,数学缜密,体系完整,完美地解释了衍射、偏振等现象,但答案和自己的标准答案不一样!这是怎么回事?!

究竟是谁错了?

不能从论文推导本身找出问题,那么,就用这个原理和推导办法,试试推导其他情况下的衍射,看看这套理论是不是仍然好用。只要有一处,理论推导与观测结果不符,这套精致的理论就将被扔进废纸篓。

泊松选中的推导对象是一只小小的、圆圆的盘子,光迎面射向圆盘,经过它的边缘时,会发生衍射,那么,根据小菲的理论,圆盘的影子会是什么样的呢?

真不愧是数学大师啊!结果很快就出来了。按照小菲的理论,这个圆盘的影子正中,应该会出现一个“亮斑”!

哈,怎么可能?这太荒唐了!影子中间怎么会出现一个亮斑呢?它从哪来?盘子中间又没洞。果然不出所料,这个看上去很美的理论,中看不中用,不具有普遍性,一个小小的圆盘就把它证伪了!

泊松公布了他的计算结果,大家一看,不愧是数学大师,计算干净利落,结果完美无误,影子中间出现了不该出现的亮斑,于是纷纷表示小菲理论太荒谬了。

组委会正准备宣判这个新理论的死刑,关键时刻,阿果挺身而出。虽然他怀疑波动说,但作为一个严谨的科学家,他认为即使要判死刑,也要亲眼看看证据才行,不能从重从快,草菅新论,坚持要做个实验。

取证。

虽然评委会成员觉得,对这种荒唐的结论做实验实在没什么必要,但大家都是搞科研的,十分清楚这个要求再合理不过了。实验是检验理论的唯一标准嘛。

实验就实验,反正影子中间是不会出现亮斑的,这回让你死个心服口服!

然而,我们已经不意外了,大自然和人类开的玩笑太多了:影子中间居然真的出现了一个亮斑!围观的大师们眼睛和嘴顿时圆了起来。

亮斑像一只无辜的眼睛,莫名其妙地看着目瞪口呆的大师们,难道我走错了吗?我本来就应该在这儿,你们瞪什么眼?

光,是横波。

泊松是一个胸怀宽大、治学严谨的科学家,但这次,他郁闷了一把。

让泊松同志郁闷的,不是谁对谁错的问题,而是人们给这个亮斑起了个名,叫“泊松亮斑”。

这大概是史上最尴尬的一个科学命名了。就好比把滑铁卢战役命名为“拿破仑战役”。

这场比赛的结果比戏剧还戏剧:在粒军的精心组织、广泛参与、奋力拼搏和大力帮助下,波军胜利了。小菲单枪匹马,勇夺金牌,摘取了这次论文大赛的最高奖。

战斗一点也不激烈,围观者纷纷表示这仗打的不过瘾。就好像下凡为怪的青牛精,不论哪路神仙,什么法宝,他就一招:取出一个亮灼灼白森森的圈子来,望空抛起,叫声:“着!”什么金箍棒啊、风火轮啊、金丹砂啊、水呀火呀的,一律套走,动作简单,台词单调,Pose难看,两个字:没劲。

但是,科学不是表演,理论预测与实验观测普遍相符,这才是王道。

想反对吗?拿出与观测符合得更精细、更普遍的理论来!否则,说什么都是笑谈。

小菲一战成名,他以一套完整、严密的横波理论击溃了微粒说,从一个名不见经传的小人物,一跃成为在光学领域可以和牛顿、惠更斯这些顶尖高手平起平坐的大人物。

只是可惜了阿果,他与小菲合作,相互启发,在光的横波理论建立中,做出了重要贡献,但关键时刻,他对波动说的怀疑,让他失去了与小菲共享荣誉的机会。

到此,波粒大战暂时降下帷幕。但光学的发展,只是从此走上了更新的一条道路,前面,依然荆棘密布。

最大的一个障碍,来自一个古老的问题:横波是吧?好吧,你是以什么为介质传播的?

如果没有介质,你能想象一个物体——就比如铅球,嫌重那就棉花团——会在空中像袋鼠一样跳跃前进吗?凭什么?

这个问题先按下不提。因为刚刚打下江山的波军,还有很多细节需要完善。

科技。其实这是两个词的概括。就好比马列、英美、锋芝……

为什么我们总是把科学和技术绑在一起?因为科学和技术是互促互进的关系,谁也离不开谁。下面出场的,正是这样一个集工艺技术、科学理论于一身的强人。

夫琅和费。

德国物理学家。自学成才。他是一家光学工厂的技术合伙人。后来成为慕尼黑大学教授,慕尼黑科学院院士。

1814年,小费用他制造的玻璃棱镜,发现太阳光谱中有许多暗线。

同样是棱镜,为什么观察力超强的牛顿当时没发现呢?因为棱镜中那怕有一点细小的缺陷,也会使这些暗线模糊不清,这就是棱镜制造的技术问题了。

其实,早在12年前,英国化学家、物理学家沃拉斯顿就曾观察到7条这种暗线,但当时没引起人们注意。他自己也没当回事,放在一边不了了之了。

沃拉斯顿可以潇洒地走开,因为他发明了加工铂的秘技,可以赚很多钱来养活自己。

但小费不能不研究,除了兴趣以外,他还得解决光学元件的技术问题。

为了精细分解太阳光谱,精确测量各种光学玻璃的折射率,提高光学元件的精密度,小费制造了精密元件:光栅。

光栅的构造与我们前面提到的偏振片大致差不多,不同的是,它的梳子齿不是由分子线构成的,比偏振片的梳子齿和齿缝都粗一些,不足以造成光的偏振。

1821年,小费把细金属丝绕在两根平行的细螺丝上,第一个光栅问世。它的工作原理和双缝实验的原理差不多,不同的是,光栅的缝更多,光透过这些金属丝之间的缝产生衍射,N多衍射相互交叠、干涉,就能产生比三棱镜还精密的色散,形成精密的太阳光谱。

因为衍射和干涉都与光的波长密切相关,所以,通过光谱中各色条纹的尺寸,还可以精确计算各色光的波长。

光栅的齿缝越细、越密集,产生的光谱越精密、越明锐清晰,拿现在的话说,“像素”和“分辨率”就越高。因此增大缝数,是光栅技术的关键。

小费最初制造的光栅有260条平行线。1823年,他用金刚石在玻璃上刻成了精密光栅,精密度达1300条/厘米(现在光栅线每毫米几十到几千条都有)。他精确计算了光的波长,给出了至今通用的光栅方程,还观察到576条暗线(现在人们已经发现了1万多条),并编制成表。光谱学从此奠基。这些成就有3个直接意义:

1.利用这些谱线,使光学玻璃折射率的测量达到从未有过的精度,解决了大块高质量光学玻璃制造的难题。

2.光学玻璃精密度的提高,直接推动了科学观测的发展,当然也就推动了科学发展。

3.进一步完善了波军理论,让横波坐定了光学领域的王位。

小费注意到,不管是阳光、月光还是其他行星的反射光,其光谱线总是出现在光谱的同一部位上;其他恒星与太阳相比,它们光谱中的暗线,样式有些不太一样。一个伟大的发现近在咫尺,可惜与他擦肩而过,也与那时所有地球人擦肩而过。当时,他公布了这个发现,但是,大家只是看了一眼,就都忙着打酱油还房贷去了。谁也没细想,这个现象意味着什么。

直到1859年,基尔霍夫(德国物理学家。著名的基尔霍夫电流、电压定律的缔造者)和罗伯特•本生(德国化学家。铯和铷的发现者,本生灯以他命名)利用这个原理,制造了光谱分析仪,发现不同的物质,分别对应光谱上不同的条纹,就像人的指纹一样!1860年,他俩用这种方法发现了铯,1861年,又发现了铷。

这么好用的工具,当然不用白不用。1861年,英国化学家克鲁克斯用它发现了铊;1863年,德国化学家赖希和李希特用它发现了铟,然后镓、钪、锗……相继被发现,工具也是它,大家用了都说好。是不是很牛?

更牛的是,我们还可以用光谱分析法,研究遥远的太阳,以及更遥远的其他恒星的化学成分!只要能看见你,离得再远,我也能知道你是啥组成的!

巨大的贡献受到了巴伐利亚国王的赏识,夫琅和费被封为贵族。这个苦孩子从一出生,命就不好,穷。小时候当然靠父母,可父母双亡;打工糊口,作坊倒塌,捡回一条命。幸亏一位好心的贵族帮他解决了生存问题,他靠着天分与不懈努力,终于获得成功。可惜的是,1826年,39岁的他因肺病逝世。

菲涅耳比夫琅和费晚生一年,晚亡一年,都是肺病。天妒英才啊!

小费强有力的技术支撑,使波军的统治地位固若金汤。粒军偃旗息鼓,纷纷倒戈。拉普拉斯学派的诸多科学家由粒方转向波方。

大家现在目标一致:寻找光波的介质。

以太说活跃起来。

以太,光的介质,它布满虚空,但看不见、摸不着。职业:当光波的介质。

菲涅耳发现一个大问题:能产生如此快速横波的介质,应该是一种十分坚硬的类固体,但如果以太果然是这样,布满空间的它,是怎么做到让物质自由穿行的呢?

泊松发现一个更大的问题:如果以太是一种类固体,在光的横向振动中,必然伴有纵向振动,这与整个横波理论体系相矛盾!

为了让以太合法存在,1839年,法国数学家柯西提出,以太是一种“消极的”可压缩性的介质;1845年,英国力学家、数学家斯托克斯又进一步指出,以太是类似石蜡、沥青或某些胶质一样的东西。它既硬得可以传播横向振动,又可以消除纵向振动,还可以让别的东西穿行。

……

你信吗?好像他们自己都不信。

打江山难,守江山更难。在寻找介质的高山丛林中穿行,似乎比在波粒大战的战场上前进更加困难。此后的过程,因为与相对论、量子论密切相关,所以在这里简短列举一下。以后再详说。

1887年,德国物理学家赫兹发现光电效应。光的粒子性又一次浮出水面,露出诡异的微笑。

1900年年底,德国物理学家普朗克推导辐射公式时,发现必须假定辐射能量不是连续的,而是一份一份的,才能得到正确的公式。

1905年3月,爱因斯坦发表了一篇论文:《关于光的产生和转化的一个试探性观点》。完美解释了光电效应。他认为对于时间的平均值,光表现为波动;对于时间的瞬间值,光表现为粒子性。也就是“波粒二象性”。

Stop!等等,人仰马翻地打了将近三百年,你一出来,说了句“光是波,也是粒”,就完了?和稀泥呢吧?还有没有点原则性了?

这个问句论据充分,简短有力,结构严谨,一气呵成,很有道理。但是,波粒二象性后来被无数实验证实了无数次,直至现在,还没被证伪。

跌宕起伏的波粒大战,居然以“波粒二象性”签约言和,原来是大水冲了龙王庙,孙悟空PK六耳猕猴!

老天爷真会开玩笑啊!此正是:

百载拼争,敌居然即我,一朝弃戈硝烟尽;

双身合并,俺究竟是谁,片刻无暇歌舞平!

路,还长得很呢!

第九章 光(下)速度与激情

极速追踪

回到我们将要修正的常识:时间是恒定的、持续的;空间是空间,时间是时间,时间和空间是独立的两个概念。这种显而易见、深受我们广大人民群众理解和欢迎的常识,用来对付苹果砸头落地(强调一下是苹果落地)、咱俩玩乒乓球、行星运转等问题,还是没有问题的。但速度一快,就会发现,事情突然变得完全不同。用它们来处理以光速或接近光速运动的物体时,完全无效。

我们晚自习加班应酬摸黑打开家门,按下开关的同时,灯光满屋,温馨如故。

雨停了,清风吹散乌云,太阳露出笑脸的同时,阳光洒满大地。

光进入我们的眼睛,似乎从来没有什么过程,直接就是结果。

高速摄影技术让我们可以清晰地看子弹像蜗牛一样在空中漫步,但至今为止,谁也没见过光从光源射向目的地的过程。它向目的地扑去时,是怎样一种景象?最前端是圆的?尖的?平的?高低起伏的?谁见过麻烦你告诉我。

是哪位牛人那么拽,他怎样发现了光速是有限的?

这位牛人的名字不太好记,他叫欧尔·克里斯琴森·罗默,丹麦天文学家。1676年,罗默观察木星的卫星。卫星每转一圈,都有一段是转到木星背后,看不见了,我们管这叫月食。我们知道,同一颗卫星绕行星运转的周期是一定的,不会这一圈跑快点,下一圈再跑慢点。所以,每次月食离下一次月食的时间应该是一样的。但罗默注意到(谁看都一样,区别在于是否注意到),同一颗卫星出现月食的时间不是每次都一样,他没有不相信自己的眼睛,而是考虑到,地球和木星之间的距离总是在变化,地球和木星都围着太阳转,但他俩步调不一致(周期不同步),所以两者距离时远时近。他注意到,地球离木星越远,则木星的月食出现得越晚。他解释道,这是因为,当我们离木星更远时,光需要花更长时间才能从木星卫星到达咱们这里。因此,光速是有限的。

牛人啊!

那么,光速是多少?

当时,罗默利用两次月食的时间差和那时地球、木星的距离,算出了光速是每秒14万英里,而现在的准确值是18.6万英里,误差不算小。问题出在哪呢?这是因为当时地球与木星的距离测量不精确。虽然不太准,但罗默的成就依然是卓越的,他不仅证明了光速有限,而且算出了大致的速度。而这些,都是在牛顿发表《原理》前11年做的。

准确的光速是谁、怎样测出来的呢?这个历程很长很曲折,不过处处闪耀着智慧的光芒:

(我把人名与方法、结果分开,以便拣阅。看着眼花就挑几条过过目算了)

17世纪前,人们以为光速为无限大,伽利略曾对此提出怀疑,并试图通过实验来检验,但因工具过于粗糙而未获成功。

1676年,罗默。利用木星卫星的月食时间进行了测量。如上所述。

1727年,英国天文学家布拉得雷。他居然利用恒星的光行差现象,估算出光速值为c=303000千米/秒。

1849年,法国物理学家斐佐。首次用机械设备(旋转齿轮法)成功地测量光速,最早的结果为c=315000千米/秒。机械设备哦~。

1862年,法国实验物理学家傅科。改进了斐佐的装置,8 角棱镜代替了齿轮,用旋转镜法测得光速为c=2997960±4千米/秒。后来有人用光开关代替齿轮,改进了斐佐实验,精度比旋转镜法又提高了两个数量级。之后,傅科在装置里充入水,测出了水中光速是空气中光速的3/4 ,恰好等于水对空气的折射率。证明了惠更斯关于光的波动说。

19世纪中叶,麦克斯韦。他根据自己著名的方程指出,电磁波在真空中的传播速度,等于静电单位电量与电磁单位电量的比值,只要测出两个电量的值,就可算出电磁波的波速。神人啊!这样也行?!

1856年,R.科尔劳施,W.韦伯。他俩还真把上面说的电量值给测出来了,麦克斯韦根据他们的数据,铅笔一挥,草纸上出现:电磁波在真空中的波速值为3.1074×105千米/秒。这跟斐佐用机械设备测的结果差不多。

1926年,美国物理学家迈克尔逊。改进了傅科的实验,测得c=(299796±4)千米/秒,1929年,他在真空中又重做了这个实验,测得c=299774千米/秒。迈克尔逊,光速测量帝,以后会经常提到他的一个著名测量实验。

1952年,英国实验物理学家费罗姆。用微波干涉仪法,测得c=(299792.50±0.10)千米/秒。误差比迈克尔逊在1926年测的值还要小,于是,1957年,这个值被作为“国际推荐值”,世界通用。

1972年,美国的K.M.埃文森等人。直接测量激光频率ν和真空中的波长λ,按公式c=νλ,算得c=(299792458±1.2)米/秒。1975年,经第15届国际计量大会确认,这个值作为“国际推荐值”使用。

1983年,第17届国际计量大会胜利召开,重新定义了国际通用长度单位“米”。把299792458米/秒定义为光速的规定值。也就是说,人类规定:所谓1米,就是光在真空中1秒钟行程的1/299792458。真空中的光速成了定义值,以后就用不着再对它进行测量了。

我们耗费同样的体力,走在溜光的马路上,走在柔软的沙滩上,或者走在水里,速度肯定不一样。光在不同的介质中,走的速度也各不相同。

水中:2.25×10^8m/s

玻璃中:2.0×10^8m/s

冰中:2.30×10^8m/s

空气:3.0×10^8m/s

酒精中:2.2×10^8m/s

……

在没了解以上这些牛人测光速的方法之前,我们能想象用一些简单的工具,居然可以测出魔幻一样的光速吗?至于你们能不能,我反正是不能。想象不出,那就只有学习。

为了膜拜一下先人的智慧,我们从上面随便选一个牛人,围观一下他是怎样用机械工具测光速的。

1849年,斐佐。

他利用透镜聚焦和镜面反射,让光线经过齿轮的齿缝再原路返回,实验者观察返回的光。

转动齿轮,就可以有规律地遮断、通过光线,当齿轮达到一定转速,反射光完全被挡住时,利用齿轮转速、齿数、光走过的距离,就可以算出光速。

有兴趣的可以看看下图和详解。

透镜在这里只起“双规”的作用,让光束乖乖地按照“规定粗细、规定路径”行走,属辅助作用。所以,在图解中,我们省掉透镜,只取最简单的路径,使工作原理更清晰些。

光的路径:从光源发出的光,通过齿缝射到镜片,由此反射回去,再通过齿缝传到观察者眼睛。特别注意的是,那个镜片与齿轮的距离要很大,具体多大,稍后便知。

齿轮的作用:如使齿轮转动,那么光束遇到齿缝就通过,遇到轮齿就隔断。齿轮的齿数是已知数,排列规整,根据转速可以计算光被阻隔的时间差。

测量过程:在光通过轮齿缝到镜片,再反射回来这段时间内,齿轮将转过一个角度,如果反射光被轮齿阻隔,观察者看不到光,再接着转,挡光的齿离开光的路径,光又能通过,观察者又看到光……以此类推,观察者看到的是闪光。当齿轮转到“一定”的速度时(不是越快越好),会达到这样的效果:每一次光穿过齿缝后返回时,都恰好被转过来的轮齿挡住,保持这个速度,观察者就看不到反射光。这时,根据齿轮转速v、齿数n、齿轮和镜片的间距L,可知光速c=4nvL。

斐佐当时用的是720齿的齿轮,一秒钟内转动12.67次时,光首次被挡住而消失。这就是说,光被挡住时,空隙与轮齿交替所需时间为1/12.67秒,在这一时间内,光往返所经过的光程为2×8633米(现在知道齿轮与Z镜的距离有多远了吧)。根据上面的公式套一下:

光速c=4×720×12.67×8.633(公里/秒)≈315014(公里/秒)

虽然跟现在的标准值差一些,但这是第一个用机械测光速的实验,有误差是因为轮齿有一定宽度,它挡光、移开需要一点点时间,而这一点点时间,光已经跑很远很远很远了。

这个测光速的高招是怎样想到的,我们暂且不讨论,单说那个年代,反射镜片与齿轮相距近9公里那么远,手上只有镜片、透镜等简陋的工具,他们是用什么样的光源(那时没有激光),是用什么手段让光乖乖地沿着规定路线走,准确地穿过狭窄的齿缝再原路返回的?强就一个字,我再说一次!

百川归海

说到光,我们就不得不提起另外两个家伙:电、磁。别急,咱很快就知道这是为啥。

虽然,人类知道电和磁的时间很长,但对它们之间的关系却一直很暧昧。

我们来看看磁、电学科发展的粗略时间表:

距今2600年前,古希腊思想家、科学家、哲学家泰勒斯闲来无事玩石头,玩着玩着,他惊奇地发现,有两种石头魅力四射,居然能吸引某些其他的物体,就像妲己吸引纣王那样。黑乎乎的那块石头,我们管它叫磁石;半透明的那块石头,我们管它叫琥珀。根据经验和直觉,泰勒斯推断,这说明它们内部有生命力。这个今天看起来很幼稚的结论,居然被人们相信了两千多年(或许更长),直到公元前300年,斯多葛派哲学家还以此来证明:世间万物因有生命而相互吸引。

距今2400年前,《管子》记载“上有慈石者,其下有铜金”,这是关于磁的最早记载。其后《吕氏春秋》提到 “慈石召铁,或引之也”。东汉高诱在《吕氏春秋注》中谈到:“石,铁之母也。以有慈石,故能引其子。石之不慈者,亦不能引也”。瞧瞧,叫“慈”石,东西方不约而同把吸引物体这个现象与爱联系起来,磁石在许多国家的语言中都含有慈爱之意。人类用善意的憧憬去理解大自然,虽失主观之偏,却从浪漫中得到了精神的慰藉。

距今2300年前(或许更早),春秋战国时期,史上最著名的汤勺问世,它就是指南针的始祖——司南。司南用纯天然磁石打造,健康安全环保,样子像一把汤勺,可放在平滑的“地盘”上并保持平衡、自由旋转,停转时,勺柄指向南方。《韩非子》中就有“先王立司南以端朝夕”的记载。指南针作为中国古代四大发明之一,供我们这些不肖子孙反复骄傲了很多年。不过,对于司南的样子,历来就有争议。争议的原因是,用天然磁铁,确实可以打磨一把汤勺,但无论这把汤勺和“地盘”打磨得多光滑,它也不能指南或指北,因为天然磁石磁距小,底部摩擦总显得过大……所以,很多人认为,指南的司南也许有,但不会是这把汤勺。我们今天看到的司南,是学者根据史书的只言片语揣摩复原的。

距今1500年前,《武经总要》上传了名为“指南鱼制作全过程[申精]”的帖子,帖子云:将薄铁片剪成鱼形,烧红,将鱼尾指向正北,稍向下倾,入水,使鱼尾淬火,取出后铁片鱼就被磁化了。把它固定在可以水上漂的物体(八成是木头)上,使之浮在水面,就成为可以为我们指示方向的指南鱼。这是首例人工磁化的记载。1500年后,广大斑竹经验证、研究认为,在当时的条件下,此方法十分科学可取,遂决定加精欣赏。古代劳动人民的智慧真是灿烂辉煌啊!

1600年,英国著名医生、物理学家吉尔伯特在伦敦出版了《论磁》,记录了磁石的吸引与推斥、磁针指向南北等性质,并断定地球本身是一个大磁体,提出了“磁轴”、“磁子午线”等概念,开创了电学和磁学的近代研究。他第一个称电吸引的原因为电力。他认为电与磁是有本质区别的两种不同现象。

1777年,牛顿之后英国最伟大的科学家之一,亨利·卡文迪许提出,电荷之间的作用力可能呈现与距离的平方成反比的关系。卡文迪许是当时富翁里最有学问的,也是学者里最有钱的,这家伙很古怪,比如他买股票矢志不渝只买一支,比如他羞于见人,听到赞扬时会落荒而逃,比如他发现或预见到了能量守恒定律、欧姆定律、电传导定律等等N多如雷贯耳的定律,但都不发表,也没有告诉别人,结果……

1785年,法国物理学家查利·奥古斯丁·库仑通过实验确立了电力的平方反比定律——库仑定律(看看卡文迪许的发现,唉,谁让你做了不说):两电荷间的力与两电荷的乘积成正比,与两者的距离平方成反比。这是静电荷间相互作用力的规律。此后,他又证明:同样的定律也适用于磁极之间的相互作用。这是电学发展史上的第一个定量规律,从此,电学的研究,由定性阶段跃升到定量阶段。

1786年,意大利医生和动物学家伽伐尼在实验室解剖青蛙,刀光、血迹、尸体……青蛙已死去多时。真是一个恐怖的画面。接着,更恐怖的事发生了:当刀尖碰到蛙腿神经时,蛙腿突然痉挛起来,同时出现电火花(罪过啊罪过- -!)。诈尸?!NO!伽伐尼认为,这是由于动物体上本来就存在的电引起的,他把这种电叫做“动物电”。这个偶然发现,引出伏打电池的发明,and电生理学的建立。

1800年,伏打发展了伽伐尼的实险,他让不同的金属相互接触,惊奇地发现,金属不仅可以导电,还可以生电!伏打说:在伽伐尼的实验里,金属才是电的始作俑者,蛙腿是神经受电而动。接着他又发现,金属接触某些液体时,也会产生电流。他把几对黄铜和锌做成的电极连接起来,浸在盐水里,就有电流产生。最原始的电池问世了!这是人类的神奇发明之一。想想看,世上如果没有电池,我们的生活会有什么不同?当然,这些都是后话了,伏打电池发明初期的作用也非同小可,此前,科学家进行电流研究,用的大都是静电,有了伏打电池,就有了持续电流,大大推进了电学研究。为了纪念伏打的贡献,地球人用他的姓氏命名电压的单位,“伏特”(就是伏打),简称“伏”。伏打不仅高度肯定了伽伐尼的工作,还把伏打电池叫做伽伐尼电池,电池里引出的电流称为伽伐尼电流。一是一,二是二,名利于我如浮云,令人佩服啊!

1820年4月,丹麦物理学家、化学家、重视科研和实验的优秀人民教师奥斯特在一次讲演快结束时,抱着试试看的心理,加演了一场实验。他拿起一根细细的铂金丝,放在一个小磁针上方,给铂金丝接通电源,小磁针居然为之一动!这微微的一动,让奥斯特的心狠狠地动了几下,一失足成千古跤。但是,在场的观众都只注意到小奥的这一跤,却没注意到小针的那一跳,因为它跳动得太微弱。小奥又用了三个月时间,反复实验,7月21日,写了一篇实验报告:《关于磁针的电流撞击实验》,虽然这篇报告仅4页,但结论不少:

电流的作用,只存在于导线周围。

只要在电流周围,磁针都会偏转。但该作用对铜或其他一些材料做的针无效。

在导线上方和下方,磁针偏转的方向相反。

该作用可以穿过各种不同的介质。比如:木头、玻璃等非磁性物体。隔块铁就不灵了。

该作用沿着螺纹方向垂直于导线。

作用的强弱,不仅取决于电流的强弱,还取决于介质、距离的变化。

通电的环形导体相当于一个磁针,具有两个磁极……

这篇简洁的报告发表后,在欧洲物理学界产生了极大震动,导致了大批实验成果的出现,两个月后安培发现了电流间的相互作用,阿拉果发明了电磁铁,施魏格发明了电流计……物理学开疆扩土──电磁学诞生了!为了纪念小奥,从1908 年起,丹麦以“奥斯特奖章”表彰做出重大贡献的物理学家;从1934年起,地球人把磁场强度的单位定为“奥斯特”,简称“奥”;从1937年起,美国以“奥斯特奖章”表彰贡献突出的物理教师。

1821年,英国物理学家、化学家、改变了人类文明的科学巨匠法拉第隆重出场,他的见面礼是一项重大发明。法拉第根据电磁效应,成功地发明了一种简单的装置:只要有电流通过线路,线路就会绕着一块磁铁不停地转啊转。您看出来了,法拉第发明的其实是地球上第一台电动机!

按:科学发现千头万绪,又环环相扣,关系千丝万缕,只因理越真,根越深,万物于根不可分。一起说,逻辑一定乱;分开说,急得团团转;要是中间有插曲,一曲肝肠断……虽然,在浩瀚的科学天空里,我们只是要浏览璀璨的星际一隅,但置身其中,也是风光无限,目不暇接,取舍之间,柔肠百转——翻译成白话文就是两个字:纠结。在这篇文字里,我们所看到的每一位科学家,其故事都足够写上厚厚一本甚至几本书,他们的传奇不亚于任何一部精彩的小说。但是,我们在这里要了解的,主要是科学理论。真的很遗憾,出现在这里的牛人太多,我们不能一一介绍,更不能一一立传。然而,指有长短,山有高低,牛人里面有巨牛人,有的科学家不介绍一下,即使老天不发飙,俺自己也会良心难安、长夜难眠。所以,当您在奔涌浩荡的科学发现之海中畅游,正行云流水、意气风发间,面前却横亘一座牛人轶事之岛时,千万不要感到突兀,俺也是被逼的,不说不行啊,那就携手上岛旅游观光吧!法拉第正是其中不得不说的一位。

法拉第出生在一个铁匠家庭。因家境贫寒多舛,他只能读到小学二年级。9岁时,父亲去世,他只能自谋生路,到文具店打过工,当过报童,勉强活了下来。

如果用两个字来形容少年法拉第,最合适的应该是:饥渴。

虽然食不果腹,但他绝不放过任何学习的机会。对知识的饥渴,超过了对饮食的饥渴。

13岁时,小法拉第得到一份为印书作坊订书的工作,虽然活多钱少,但法拉第却如鱼得水,要知道,他装订的不是稿纸,而是梦寐以求的书啊!于是,他总是超额完成装订任务,然后便一头扎进书的海洋……

天才+勤奋=成功?不,上帝决不允许成功的等式如此简单地成立,否则,这个强人辈出的世上,将会出现很多上帝!

对自然好奇不已的法拉第,在书山丛林中,独自猎取了丰富的科学知识,《大英百科全书》中的电学文章,他如数家珍。但这一切,都只是攒了一身装备而已,战场在哪?出路在哪?

幸运的一天来到了,印书作坊的一位顾客听说法拉第热爱科学,就把一张通俗化学讲座的入场券给了他。讲演者是皇家研究所教授戴维。

汉弗莱·戴维,举世闻名的英国化学家,他的贡献很多,列举起来恐怕又是一篇长文,只说他发现的元素吧。我们知道,居里夫人因为研究、发现、分离了两种元素:镭、钋,分别获得了诺贝尔物理学奖和化学奖,而戴维发现和提取了钾、钠、镁、钙、锶、钡、硼等诸多元素,是化学史上发现新元素最多的人。可惜那时没有诺奖。

法拉第拿着入场券,不是去听讲座,而是去朝圣。他几乎记住了讲座的每个字,整理了笔记……此后,法拉第成为戴维这颗科学巨星最忠实的粉丝。

一天,戴维在疯狂的工作中病倒。前来探病的名流显贵络绎不绝,以至于医院不得不挂出公示板,每天公布戴维的病情。一个稚气未脱的装订工,此时此刻,又能做些什么呢?

如果用两个字来形容少年法拉第,最合适的应该是:饥渴。

虽然食不果腹,但他绝不放过任何学习的机会。对知识的饥渴,超过了对饮食的饥渴。

13岁时,小法拉第得到一份为印书作坊订书的工作,虽然活多钱少,但法拉第却如鱼得水,要知道,他装订的不是稿纸,而是梦寐以求的书啊!于是,他总是超额完成装订任务,然后便一头扎进书的海洋……

天才+勤奋=成功?不,上帝决不允许成功的等式如此简单地成立,否则,这个强人辈出的世上,将会出现很多上帝!

对自然好奇不已的法拉第,在书山丛林中,独自猎取了丰富的科学知识,《大英百科全书》中的电学文章,他如数家珍。但这一切,都只是攒了一身装备而已,战场在哪?出路在哪?

幸运,成功等式的又一个重要因子。这一天,印书作坊的一位顾客听说法拉第热爱科学,就把一张通俗化学讲座的入场券给了他。讲演者是皇家科普协会教授、皇家学会会员(后来的主席)戴维。

汉弗莱.戴维,举世闻名的英国化学家,他的贡献很多,列举起来恐怕又是一篇长文,只说他发现的元素吧。我们知道,居里夫人因为研究、发现、分离了两种元素:镭、钋,分别获得了诺贝尔物理学奖和化学奖,而戴维发现和提取了钾、钠、镁、钙、锶、钡、硼等诸多元素,是化学史上发现新元素最多的人。可惜那时没有诺奖。但是,在英法开战期间,敌国皇帝拿破仑举行了盛大的仪式,表彰了戴维的科学贡献。这种殊荣,在科学史上大概是绝无仅有的。

法拉第拿着入场券,不是去听讲座,而是去朝圣。他几乎记住了讲座的每个字,整理了笔记……此后,法拉第成为戴维这颗科学巨星最忠实的粉丝。

一天,戴维在疯狂的工作中病倒。前来探病的名流显贵络绎不绝,以至于医院不得不挂出公示板,每天公布戴维的病情。一个稚气未脱的装订工,此时此刻,又能做些什么呢?

---------------以下是今天的--------------

这时,成功等式的另外两个重要因子——智慧和勇气派上用场了。法拉第运用自己的谋生技术,把整理好的戴维讲演笔记装帧成一本368页、图文并茂的精装书,名曰《戴维演讲录》,送给戴维——他心中的圣者,作为祝福礼物。还附上简短的信:

我是印刷厂的订书徒工,热爱科学,有幸恭聆您的四次演讲。现将笔记呈上,以为圣诞薄礼。若蒙您栽培,将不胜感激之至。

——法拉第

戴维身世虽比不上法拉第那么惨,却也是苦孩子出身,少年丧父,坎坷凄凉。法拉第求学的恳切之情令他感慨。感动+同情+欣赏=接受。戴维把法拉第收入门下,作为助理和仆从。法拉第开始只是做些为实验室洗瓶子之类的杂务,收入还不如装订工,但他仍是喜出望外——可以接触更多与科学相关的工作,学习环境也远非往日可比。

戴维很快就发现法拉第天赋超群,让法拉第参与的实验逐渐增多,甚至放手让他独立工作。温润的土壤催开了天才的生命之花,这是一朵灿烂的报春花,它开启了人类科学的又一个春天。

法拉第的成果遍布化学的各个领域:获得了液态氯;冶炼出不锈钢;研究了银化合物与氨的反应;分离出多种有机物,最有名的是苯;发现了电解当量定律。这些成绩,对于一般科学家,得其一,便足傲一生了。但对于法拉第这个大厨而言,这只是几碟小菜。他为人类推出的重磅大餐,是在物理学中,电磁学上的伟大贡献(此处删去5万字)。法拉第对电磁学的贡献,相当于伽利略对经典力学的贡献。

当然,其中过程照例不会风调雨顺。不知哪位牛人说过,老天很会开玩笑,他在送你一个大礼物时,总会用重重困难做包装。但对法拉第的这个玩笑,有点开大了,最难解的一个包装,竟然是他的恩师戴维!

戴维老师不幸染上了害人害己的常见顽疾:嫉妒。这一病很要紧,他足足压制了法拉第10年之久(此处又删去5万字),法拉第被迫放弃了专长的电学,转向无兴趣应用科学,取得了上述那些小菜成果。

这一令人痛心的情节,一直上演到1829年5月,戴维老师去世。

1829年7月4日,法拉第致函皇家学会,要求回到自己专长的领域。1831年,电磁学领域王者归来,是时,法拉第年已不惑。那白白流淌的10年黄金岁月,天才的法拉第会在他专长的领域做出何等贡献?谁也无法估量。

成就法拉第,是戴维一生最大的亮点;压制法拉第,是戴维一生最大的污点。可见,嫉妒不仅是被嫉妒者的不幸,更是嫉妒者的不幸。但,瑕不掩瑜,谁也无法忘却戴维的伟大科学贡献。

人们说:戴维最伟大的发现,是发现了法拉第。

法拉第一生谦逊谨慎,淡泊名利,他拒绝了许多大学赠予他的各种名誉学位,多次谢绝了商人的高价聘请,就连大家提名他为皇家学会会长,以及女王授予他爵位这两件多少科学家梦寐以求的事,他也谢绝了。对名与利,想要就能唾手可得,那是牛人;唾手可得却弃之如敝履,那是神人!

【图9.3】法拉第

好,让我们走出对法拉第同志的追思,看看他发明电动机以后,电磁学领域又发生了什么大事。

1827年,德国物理学家欧姆提出一个定律,还给出了关系式:X=a/(b+x)。X表示电流强度,a表示电动势, b是电源内部的电阻,x为外部电路的电阻。这就是著名的欧姆定律(唉,卡文迪许)。但欧姆当时默默无闻,大家用怀疑的眼光看了看这个发现,就扔到回收站里去了。4年后,一位叫波利特的科学家发表了一篇论文,同志们家一看论文的结果,突然想起回收站里扔着一篇类似的东西,翻出来一看,结论一模一样!于是科学界对欧姆刮目相看。从此,电阻单位的名称就叫“欧姆”。可见有了什么东东及时让大家知道是一件多么重要的事——当然有了情夫的孩子除外。

还是1827年,法国化学家、物理学家安培发表了他的著作《电动力学现象的数学理论》。他通过一系列实验,得出一系列结论。他发现通电的线圈与磁铁相似,于是电磁铁诞生了。他还八卦了电与磁的暧昧关系,比方说,电流方向、电磁场方向与相吸、相斥的关系。他窥见,电一运动,就有了磁。而电流是怎么运动的呢?他说,电流从分子的一端流出,通过分子周围空间,由另一端补入,这就是著名的分子电流假说。对于铁为什么会被磁化,他解释道:铁分子内存在永恒的电流环,这些电流环具有磁性,但它们方向凌乱,就像一群内斗不休的国民,每个人都拼命阻止别人发力,功力就这样内耗了,因此在一般情况下,宏观的铁块不具备磁性,但是,外部磁场能够让铁分子的电流环磁性方向一致,从而让宏观的铁块显现出较强的磁性。他还导出了两个电流元之间的相互作用力公式。分子电流后来被称为“安培”电流,电流的单位就叫“安培”了。

1831年,这是个光明的年度,人类一脚踏进了新的文明。我们长话短说,这事,说起来话就长了。奥斯特发现电流可使磁针偏转后,天才们集体闪出灵感的火花:电力能产生磁针偏转这样的机械力,那么,机械力是不是也能变回电力呢?既然大家都往一个方向跑,那么剩下的事,就看谁先撞到终点那根华丽丽的线了。

安培下手比较早,各种实验,但根本的实验思想错误,无法成功。这不要紧,因为很多人也没有成功。

不过,有个人差点就成功了。

他的手已经搭上了成功的边缘,却随即跌入失败的深渊。不过,这种事多了去了,不算什么,狗血的是,这个动作他重复了N次,而失败的原因,竟然是他跑得不够快!

科拉顿。1825年,他把一块磁铁插入绕成筒装的螺旋线圈里(这种配置,大家想必十分的熟悉了),线圈连接着一只灵敏的电流计。记住,是“灵敏”的电流计哦!

让磁铁在线圈中运动,或许能产生电流。他想。

我们都知道,他想对了。

但他想多了——为了避免磁铁移动时,对电流计产生影响(都是“灵敏”两个字害了他),他把电流计放在另一间房里。

于是,实验过程如下:

科拉顿先动一下磁铁,然后跑到另一间房里看看电流计指针。你晓得,他一定看见指针老老实实地呆在在0刻度,好像要憋着100年不变。

我们知道,磁铁动时,有电流,指针会动一下,但磁铁停下来,电流消失,指针就回到0刻度。因此,科拉顿有几个方案可以成功:

一是把电流计放在实验室里实时观察;

二是找个助手配合自己实时观察;

三是搞个滑轮拉线装置,在电流计屋里拉线,牵动实验室的电磁铁;

四是跑得比指针还原位置的速度还快。

很显然,前三种方案都是简单可行的。但科拉顿不知哪根筋错了位,偏要选第四种方案!要知道,这是兔子和猎豹也无法完成的动作啊!意料之中的,他跑不过指针。所以他看不到指针偏转。

于是他认为,没有电流产生。遂擦汗认输。

杯具啊!在人类实验失败史上,还有比这更让人喷血的事吗?

把这么大篇幅用在一个失败者身上,是因为,在通往成功的道路上,由于主观的、客观的、偶然的、必然的、正常的、失常的种种原因,倒下了太多的天才,他们勇于探索的精神,是人类前进的原动力,他们失败的教训,成功者迈过陷坑的垫脚石,他们前赴后继冲向目标的身影,是成功之路最瑰丽的背景!同成功者一样,他们,也是真正的英雄,在膜拜成功者的同时,我们也应该向这些无名英雄致敬!

6年后,重返电磁王国的法拉第设计了一个实验,实验装置与科拉顿的差不多,就是让磁铁穿越闭合线路,最大的区别是,法拉第把电流计放在自己身边。于是,磁铁一动,电流计指针也跟着动,法拉第看见了,确定了。这个效应叫电磁感应。

1831年8月29日,请记住这一天,发电机的生日。

法拉第趁热打铁,两个月后,试制了能产生稳恒电流的第一台真正的发电机。

废话少说,人类从蒸汽时代一脚踏进了电气时代。

由于这个贡献,有人认为,法拉第对人类的贡献,从实用性、直接性上说,应该名列前茅,像发明青霉素的弗莱明。直到今天,不管是风力、水力、火力发电,还是潮汐力、原子能、热能发电,发电机的基本原理仍如百年前一样:运动的闭合导体和磁铁。

法拉第去世后,有人提议停电三天向法拉第致哀,这完全可以理解,可惜实现不了。因为斯时,人类已不可一日无电。动不动就停电的行为,是落后的、可耻的、不能容忍的。

1837年,也是法拉第,提出电场和磁场的概念:电和磁的周围都有场的存在。

这些概念乍看起来不起眼,但一琢磨,其意义非同小可。从此,人类开始认识到,看不见、摸不着,但能够左右物质行为的“力”,其本身也是一种特殊的物质。

电场、磁场与普通物质不同,它们不是以分子、原子等形式构成,但它们与普通物质一起,低调地而给力地客观存在着。它们是物质相互作用的媒介:电场力对电荷作功,磁场让磁体们相互作用。而我们都清楚,电荷、磁体无处不在。

除此之外,它还意味着一个挑战:既然电场、磁场都是客观存在的物质,那么,牛顿同志的“超距作用”思想,就应该下台了。

所谓超距作用,是指相隔一定距离的任意两个物体,它们之间存在相互作用,这种作用是直接的、瞬时的,不需要任何媒质传递,也不需要任何传递时间。

法拉第通过对磁力线(据说他是用一张纸悬在磁铁上空,纸上撒细铁粉,轻轻震动纸,铁粉会顺磁力线排列,这就“看”见了磁力线)的研究,指出:

这些力线不是直线,而是曲线,超距作用只能是直接的,不可能以曲线的形式存在;

导线自身运动,不会产生电流,它必须在磁铁周围的一定范围内,才能产生电流,这说明,力不是超距的,至少磁场、电场力证明了这一点。

后来,法拉第居然相信光和电磁有某种联系,甚至,他猜测,磁力的传播速度,可能和光的速度有一拼(只要有速度限制,无论它多快也不是超距作用)。

天才啊!

虽然牛爷也对“超距作用”表示过怀疑,但他的万有引力定律却结结实实地引入和支持了“超距作用”思想。也就是说,要动“超距作用”,就得动以牛爷理论为核心的经典力学的根基!

不得了,了不得,居然有人向天规神谕般的牛顿力学挑战?!

1838年,还是法拉第,提出电力线的新概念,他用虚拟的有向曲线,来描述电场分布。形象直观地解释了电、磁现象。这是物理学理论上的一次重大突破,也是法拉第超强形象思维的又一次充分体现。

1843年,仍是法拉第,用有名的“冰桶实验”,证明了电荷守恒定律。

实验装备:

铁皮冰桶一只。放在绝缘体上。

金箔验电器一台。倍儿灵敏的那种,用导线连在冰桶上。只要冰桶带那么一丁点儿电,验电器上的金箔就会张开。

用丝线吊着的小黄铜球一枚。让小黄铜球带电。为啥要用丝线吊着?是因为丝线绝缘,你要是觉得不爽,可以换个塑料柄。

OK,万事俱备,开始试验。

把带电小黄铜球缓缓吊进冰桶,我们发现,随着小球的深入,验电器的金箔逐渐张开,张开到某个角度时,金箔不动了。小球继续深入,但金箔的张角毫无变化。直到小球碰到桶壁上,小球的电转移到冰桶上,金箔也没有反应。好吧,算你狠,hold住了。

这说明,小球所带的电量,对箔片只能造成这么大的张角。

如果我们在小球碰到桶壁前,就把小球吊出冰桶,那么,电也随之而去,金箔就还原到闭合状态。

上述结果,与冰桶里装没装什么别的东西通通无关。

这说明什么呢?这说明,电荷可以转移变动,但不会无中生有,也不会有化为无,总量守恒。

1852年,又是法拉第(是你是你还是你,就是对法拉第唱的),引进了磁力线的概念,和电力线类似地,他用曲线来描述磁场。

磁力线也是有方向的。磁铁周围的磁力线,一律从N极出来,绕场半周,进入S极。

磁力线上每个点的切线方向,都和这点的磁场方向一致,想起微积分部分里的炮弹轨迹没?

如果把小磁针放在磁铁附近的某个位置,它会指向哪个方向?

根据同性相斥、异性相吸的原理,当然是北极指向磁铁S极,南极指向磁铁N极了!

这个答案基本正确,但不准确,也不完全。

如果我们把这块磁铁的磁力线画出来,把小磁针摆在随便哪条磁力线的任何一点上,会发现,小磁针立场坚定,方向明确,总是和该点的切线方向保持高度一致,绝不口是心非,并且北极所指的方向,就是磁力线的方向。可见,磁力线的威信,真不是靠吹的。

磁力线概念的提出,为经典电磁学理论的建立奠定了基础。

法拉第还发现,偏振光通过磁场时,其偏振作用就会发生变化。这一发现具有特殊意义,它透露出一个信息:光和磁的关系可不一般!

法拉第同学最大的缺憾,是数学成绩不好,因为他基本没上过什么学,没有机会接受足够的数学训练。但是,他超强的形象思维能力,弥补了这方面的很多不足。电场、磁场这种看不见、摸不着、描述起来极其抽象的东西,用电力线、磁力线概念一表述,它就可以进入各种物理课本,甚至可供中小学生学习理解。更重要的是,这些概念是简洁的、科学的,为电磁学的建立奠定了基础。

这,堪称法拉第超强形象思维能力登峰造极的表演。

法拉第还提出了“力场”的概念。他认为,一无所有的空间是不存在的,包括月末我们的口袋,到处都充斥着物质运动的“力线”。所谓力场,是一种矢量场,场中的每一点,其矢量都可以用一个力来量度。从此,描述、解释力,有了一种简洁、形象、便捷的形式。

力场概念刚出世时,大家一看,这些条条道道太小儿科,没有尖端理论的样子,于是一度视之为随意涂鸦,鄙视如工资条,既不经看,也不经用。但随着时间的推移,人们惊奇地发现,那些看不见、摸不着、神秘无比、高深莫测的力,居然如此真实地与这些线条吻合起来。换句话说,用这些线来表示、解释、计算、预言力现象,更直观、更便捷、更顺手,用了都说好。

力场是最重要的科学概念之一,它不仅奠定了电磁学的基础,还成为现代物理学的重要基石之一。

物理中的三大场:磁体在磁场中受力;电荷在电场中受力;一般物质在力场中受力。

法拉第的理论为当代物理学中的诸多进展开拓了道路,其中包括麦克斯韦方程。力场成为物理学家的灵感之源,他们纷纷用力场来描述引力理论,甚至弦场论。

爱因斯坦高度评价法拉第的工作,认为他在电学中的地位,相当于伽利略在力学中的地位。

……

接下来,就是本文的第二位超级牛人,麦克斯韦出场了。

话说1831年11月,法拉第制造出世界上第一台手摇发电机。手摇柄带动一个铜盘,在磁铁两极间转动,铜盘边缘和圆心各贴紧一个铜电刷,用导线接在电表上。OK。

当他在英国皇家学会展示这个其貌不扬的小怪物时,一位贵夫人忍不住问他:“这玩艺能有什么用呢?”从发梢到脚尖都是疑惑。

法拉第彬彬有礼地答道:“夫人,新生的婴儿又有什么用处呢?”

是的,没人能预测婴儿的未来,也许百无一用,也许改天换地。谁能料到,那台简陋到让人生疑的发电机,开启了人类的新文明呢?

1831年11月13日,苏格兰爱丁堡的乡下,降生了一个婴儿,虽然无法预料婴儿将来会怎么样,但所有的父母都对孩子寄予厚望。他家也不例外。何况,他的家境还不错——地主。他的父母都受过良好的教育,面对这个新生命,他们一致通过一项决议:教育从娃娃抓起。

娃娃的名字是:詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。

父母总是喜欢大胆畅想孩子的将来,虽然胆子一个比一个大,但这孩子的将来,远远超出了麦爸麦妈的想象力,居然成为堪与牛顿比肩的人物,彪炳史册,光耀千秋。何止是光宗耀祖,何止是为国争光?他与全人类同在!

麦克斯韦小时候,由母亲教他读书,知识渊博的父亲也不失时机地引导他,而小麦过人的天分和对学习的兴趣,让这一过程和谐圆满。

不完美的万象万物,才能构成完美的整个宇宙。所以老天是仁慈的,也是冷酷的,赐予时,慷慨无私,夺取时,不容置疑。在小麦8岁时,肺结核夺走了母亲48岁的生命。刚刚懂得幸福滋味的小麦深受打击,性格开始变得孤僻、内向起来。

幸好,能干的父亲不仅机械设计专业干得好,家里的活都拿得起来,甚至能设计裁制服装鞋帽,心灵手巧,细致耐心,责任感极强,又当爹又当妈。父子相依为命,形影不离。小麦深受麦爸的影响。

两年后,麦爸把10岁的小麦送到爱丁堡公学读书。

乡下的孩子进了城,难免要受到孩子们的冷落、嘲笑和孤立,小麦在冷眼中学习,在抗争中提高,拳头与眼神齐飞,智慧与意志同在,就是不低头。

当然,“全校公敌”不止小麦一个,还有坎贝尔和泰特,这仨孩子同病相怜,成了朋友。

还是老一套:天将降大任于斯人也,必先……老天不会让谁白捡便宜,也不会让谁白受委屈。委屈的他们后来都出息了,坎贝尔是古典文学学者,泰特是数学和物理学家。当然,这是多年以后的事了。先说眼前的事,瞧,小麦升到中年级了。

扬眉吐气的机会终于到了!学校设了个擂台——当然不是打架用的,而是PK智慧,数学和诗歌比赛。小麦一出手不要紧,一下子独揽了两项大奖。同学们的下巴都掉地上了:这个又土又凶的傻帽居然是个才子!

小麦偏爱数学和物理,麦爸老早就发现小麦很有数学天赋。而这个天赋,居然是从美术课上发现的。一次,麦爸教小麦静物写生,面对插满金菊的花瓶,小麦刷刷点点,很快挥就。好奇的麦爸凑过去一看,这线条,是有多简洁啊:花瓶→梯形;菊花→圆圈;叶子→三角形。图形准确,还有空间立体感,。麦爸当时就把培养一个画家的梦想,改成了培养一个数学家。先教几何,后教代数。天才总是不同凡响,很快,小麦的数学成绩就超过了学校教授,当然是数学教授。幸亏小麦当初没把花画成面包圈,否则麦爸会培养出一个超级巨厨。

十五岁时,中学没毕业的小麦独立发现了次多面体,还写了篇论文,讨论二次曲线的作图问题,这种曲线,最早是天才的数学家笛卡尔发现的,他也给出了该曲线的绘制方法,不过,小麦用了不同的办法,十分巧妙,被慧眼识珠的《爱丁堡皇家学会学报》看中并发表。这可是最权威的学术报刊啊!麦爸十分的骄傲。

这篇论文让小麦跻身爱丁堡学术界,结识了这个圈子里的牛人,见识大增。

1847年,16岁的小麦考入苏格兰最高学府爱丁堡大学。班上,他年龄最小,学习最好,尤其在数学和物理上,才华横溢。更让人羡慕嫉妒恨的是,学成这样,他居然还有大量时间读课外书。不仅用三年的时间完成了四年的学业,还捎带着学了很多课业以外的知识。

1850年,19岁的小麦来到剑桥。

剑桥大学,真正的顶级品牌。顶级大学区别于顶级工厂的最显著特征是:产品个个都不同。

小麦到这里很好地保持了他的风格,第二年便考取了奖学金。按照规定,获得奖学金的学生在同一桌吃饭——这是高才生相互结交的绝妙机会。

和高人交流思想,你就有望成为高人;总是和高人交流思想,你就是高人。

在剑桥的高才中,有一个光芒四射的学术团体:使徒俱乐部,会员数以耶稣的门徒数为限,12个,一个都不能多。只有高才中的高才,才有资格跻身其中。这和金钱地位、家庭出身、本人成分、民族国籍、政治面目、老爸是谁全无瓜葛。

小麦卓尔不群的才华倾倒了“使徒”们,他们吸收小麦为会员。

其实,小麦并不是一个善于交流的人,他的思维天马行空,语言跳跃性强,从一个论题到另一个论题,往往没有过度和转折,是用跳的。甚至是用穿越的。

因此,他的思想自己清楚,但表达出来,却前言不搭后语。比方说,数学问题论战正酣,我们麦先生会突然冒出一个全不搭边的问题:“活猫和活狗摩擦可不可以生电?”听他说话,就是一个字:累。

但是,小麦出众的才华、惊人的想象力、敏捷的思维、讥诮的诗句却迷住了剑桥的才子们。

不怕交流有困难,就怕没啥可交流!

所以,这个交流困难的会员,居然颇受欢迎。

高人的眼光就是高啊!这个会员后来成为使徒俱乐部的骄傲,他们因他而流芳千古。

眼光高的不只有俱乐部的高才们,剑桥大学教授、地球物理学家、著名数学家霍普金斯也独具慧眼。

这一天,霍教授去图书馆借一本书,不料到图书馆一查,一个学生已捷足先登,借走了。

借书本身并不奇怪,奇怪的是,居然有学生能借这本书。这是一部深奥的数学专著,一般的学生不可能读懂——即使是剑桥的学生。

经查,该生名叫麦克斯韦。

霍老师满怀好奇地找到小麦,发现小麦同学正在埋头狂做笔记,不是一般的勤奋。刚要表扬一句,却发现他的笔记一团糟,不是一般的乱!于是,霍教授对这个乍看不一般,细看更不一般的学生说道:“年轻人,要是没有条理,你永远也成不了数学物理学家。”

小麦被霍教授收入门下,成为霍普金斯私人班级的第15个入门弟子,吃上了小灶。

有才,还求才、识才、爱才、育才,这才叫教授,教授云集之所,名校也;

贪财,便求财、识财、爱财、索财,还劫色,那是叫兽,叫兽云集之所,名利场也!

霍教授的鼎鼎大名既非自封,也非官封,人的实力和业绩到了一定程度,名声就不请自来。他不仅自己学识渊博,还有办法让学生超越自己。他的班,就是数学强人制造厂,门下牛人辈出,随便举几个例子:

汤姆逊,热力学的主要奠基者之一,电磁学的先驱,举世闻名的物理学家开尔文勋爵,后面会驾着两朵乌云出场。

斯托克斯,成就不说了,他是继牛顿之后,任剑桥卢卡斯座教授、皇家学会书记、皇家学会会长这三项职务的第二个人。

凯利,不变量理论的奠基人,n维空间概念的提出者,矩阵理论的先驱。

桃李芬芳啊!手下不断出大师,就算打死你也不承认,你也是大师。

霍教授帮小麦同学改掉了没有条理的坏习惯,培养小麦同学严谨的作风——这是一名数学家所必备的。数学是解决问题、认识世界的工具,霍教授循循善诱地把这一思想植入学生的灵魂。

小麦还参加了数学强人斯托克斯的讲座,这位师兄对他帮助颇大。

天才有了名校、良师、益友,自己又如此勤奋,坐拥天时地利人和,想不出成绩都难。不到三年,小麦就掌握了当时所有先进的数学方法,霍普金斯称小麦是他学生中最杰出的一个。

1854年,23岁的小麦毕业后,留校任职:三一学院研究员。开始,麦研究员研究的是光学上的色彩论。一天,他一不留神读了法拉第的《电学实验研究》,这一读不要紧,法拉第和电学瞬间把他迷住了。

天才对科学的魅力毫无免疫力。所谓秒杀。

所以,他们对科学具有超强的悟性力——只有钻进去,才能悟出来。

当时,人们对法拉第的理论颇有非议,最主要的原因是,法拉第的理论与经典力学暗含的“超距作用”思想相冲突。

牛爷岂是好惹的?光学只能算是牛爷的副业,在波粒大战中,他都能单挑胡克、波义耳、惠更斯等牛人。现在,你在牛爷的主营业务——力学头上动土,这还了得?

一位天文学家、牛爷的粉丝说:“谁要是在超距作用和模糊不清的力线观念之间有所迟疑,那就是对牛顿的亵渎!”瞧瞧,不要说相信法拉第的学说,就算迟疑一下,也是罪过!

虽然法拉第很牛,理论都有实验支持,并且大家都用着发电机的电,但是,几乎所有人都呼啦一下子站到牛爷一边。什么叫不由自主?这就是情不自禁!习惯了。

在这种氛围下,就算是明眼人,也容易偏风被迷了眼。

但是,有一种人,眼睛永远是明亮的,他们思维敏锐,不拘古法,笃信事实,只求真理,无惧权威,卓尔不群。我们的小麦,正是其中杰出的代表。

麦克斯韦认真地研究了法拉第的著作后,他感受到力线思想的宝贵价值,法拉第超强的想象力、形象的思维、巧妙的方法、精准的实验、切合实际的理论、不容置疑的成果,都让小麦一见倾心。

同时,初具巨匠风骨的小麦,也敏锐地看到,法拉第在定性表述上,存在明显的弱点。

我们都知道,法拉第数学成绩不好,有人说,他是不懂数学的科学家中最杰出的,但也正是因为他不懂数学,导致聪明绝顶的他失去了与牛顿比肩的机会。

法拉第把他一生从事电学研究的实验成果,写成了三大卷、洋洋千万言的《电学的实验研究》,其中,需要用数学来描述的地方比比皆是,法拉第扬长避短,充分发挥用自己的形象思维能力,用巧妙的图示弥补了这一不足,这一手,科学史上无人能及。

小麦对法拉第的绝招相当拜服,它为我们带来了电力线、磁力线等巧妙、实用的科学成果。同时,小麦也认识到,图示毕竟只是图示,作为科学理论表述,它够直观、够巧妙、够人性,但,不精确、不严密、不给力啊!

从前文可知,在超距作用的问题上,虽然法拉第的解释很有道理,但是,缺乏严谨的数学推导和公式支持,这就是为什么那位牛粉天文学家用“模糊不清的”这个词来修饰法拉第的力线理论。

1841年,法拉第的师兄汤姆逊同学发表了第一篇论文,在电学方程和热流方程之间,建立了形式上的类比,可以通过代换,把某些电学问题,变成热学理论问题,而热学,是有数学支持的。这一招叫借花献佛,狠毒点也可以叫借刀杀人,借助热学中的数学方法,以类比为桥梁,搞定了电学中的某些数学问题。

1845年,汤姆逊提出了一个对电力线的精确数学描述。接着,他首创了电像法;提出了用“弹性固体转动应变”,来类比磁力;把能量原理应用于电学……解决了法拉第理论的一些数学问题。

小麦睁开眼睛,从回顾中展望现实,年轻的双眸闪烁着大师的智慧光芒。

俯瞰电磁学的广阔土地,砖瓦、木材、钢材、玻璃、水泥、沙土、石块、器具……丰富而杂乱,这是一笔巨大的财富,足以建设一座新城,那将是一个崭新的王国!

吉尔伯特、卡文迪许、库仑、伽伐尼、伏打、奥斯特、欧姆、安培、汤姆逊……尤其是法拉第,为这个新区准备了丰足的建设材料,平整了土地、打好了桩基、盖好了工棚,甚至散落着几处像样的民居。可惜的是,这些工作不成体系。

就让我来当这个总设计师吧!

小麦的工作得到了汤姆逊的鼎力支持,受益匪浅。1855年,24岁的麦克斯韦发表了他的第一篇电磁学论文——《论法拉第的力线》。

这篇论文也用了类比法,不同的是,麦克斯韦提出用“不可压缩的流体”来类比力线,比起师兄汤姆逊的类比,普遍性更强,能解决更多的问题。他还区分了磁感应力、磁力这两个矢量,使这个让很多科学家大伤脑筋的问题豁然开朗。

麦克斯韦用矢量微分方程描述电场线,从此数学与电学喜结良缘。力线概念有了精确的数学表述,法拉第直观的描绘上升到了理论的高度。

电磁王国宫殿的蓝图已经绘就,基础已经打好,下一步,就是构架主体框架了!展望前景,风光无限啊!麦克斯韦激情满怀,正准备一鼓作气,大展身手,然而,一阵敲门声打断了他的思路。

邮差。

他送来一封信,家书,却不是父亲的笔迹。一股寒意沿着脊梁袭满全身。

父亲出事了?拆开信,他怀有侥幸的担心,成为冷酷的现实。信是好心的邻居代写的,父亲病重,已卧床不起。

麦克斯韦从小失去了母亲,父亲一人担起了两个角色,既是良师,又是益友,感情之深,无法言表啊!

在事业和亲情之间,麦克斯韦没有彷徨,他毫不犹豫地选择了后者:回去照顾父亲!

这是一个正常的决定,也是一个值得敬重的决定。要做事,先做人,连自己的亲人都不爱的人,他会爱事业?他会爱某个组织?鬼才相信。

麦克斯韦离开了学术环境优越的剑桥,来到阿伯丁,这里离家近,便于照顾父亲。他在一所学院谋到了一个讲师的职务,教物理。

征得学院的同意,他先在家照顾好父亲,再去任教。

尽管麦克斯韦倾心竭力减轻父亲的病痛,想尽办法恢复父亲的健康,但在生命的凋零面前,一切都显得那样无能为力,挚爱的父亲最终还是撒手人寰。

那是1856年,春季。

麦克斯韦深受打击,悲痛充斥着生活的每个角落。

阿伯丁的马里斯查尔学院欣赏麦克斯韦的才华,决定正式聘任他为自然哲学(物理)讲师,向他发出了邀请。

麦克斯韦犹豫了。无论从学术环境、生活环境方面,还是从收入、前途等各方面,阿伯丁与剑桥无法相提并论,慈父已去,留在这里已毫无意义。但,短暂的犹豫之后,他决定留下任教。只为了两个字:

诚信。

不仅要留下,还要尽力而为。人品,决定行动。

1856年11月,25岁的麦克斯韦来到了马里斯查尔学院,开始了物理讲师的生涯。

麦克斯韦才思敏捷,他的文章思路清晰,条理分明,逻辑严谨,看了都说好。但讲师是用“讲”的,站在讲台上,总不能整堂课都让同学们欣赏吱吱嘎嘎连绵不绝的板书吧?我们知道,麦哥那随着敏捷思路闪电穿越的语言,连剑桥的高才们都难以理解,何况是这里的学生!

麦哥是个有自知之明的人。为了有个好的开端,讲好第一堂课,他花了很长时间,做了精心准备,包括练习放慢语速、理清层次等等。

但是,踏上讲台,一开口,就收不住了,思路如潮,语速随之奔腾跳跃,还带着家乡口音……两课时的内容,用一个课时就讲完了。学生们呆若木鸡,神马也没听懂。

一颗大汗从坐镇旁听的院长头侧滑落。

下节课干嘛?总不能空着吧。麦老师很有办法——重播上节课实况。

学生们纷纷表示受不鸟。

第一节课尴尬收工。麦克斯韦痛下决心,刻苦练习发音、语速和讲解,见此情景,人们对麦老师勤奋敬业的精神所感动,包括院长和他的家人。院长的女儿玛丽帮了麦克斯韦的大忙,使麦老师的业务水平迅速提高,成为一名合格的讲师。

期间,神奇的爱情产生了。丘比特这孩子,总是在最不可能的时间出现。

麦克斯韦这一年失去的春天,在冬天重新降临。阳光温暖起来。

无论怎么努力,麦克斯韦也当不成一名优秀教师。但他却是搞科研的奇才。在马里斯查尔学院,他对神奇的土星光环进行了研究,这是个天文学课题,跟电磁学一点关系也没有。

这个课题是拉普拉斯遗留下来的。拉普拉斯是法国数学家、天文学家,分析概率论的创始人、天体力学的主要奠基人、天体演化学的创立者之一。还记得吧,就是在波粒大战中,用微粒说分析光的双折射现象,批驳波动说,还设了个“光的双折射理论研究”奖的那个粒军大将。

根据那时的观测,土星环貌似一整块固体环,很美很神奇。1787年,拉普拉斯按照观测结论,把土星环作为刚性的整块圆环,进行了研究和计算。结果发现,如果让这个环保持稳定,不破裂、瓦解,那么,它在密度分布、引力平衡、转速等诸多问题上,必须满足十分苛刻的条件才行,任何细微的出入,都会让这个环分崩离析。

拉普拉斯的研究到此为止。

1855年,人们又观测到一个新的暗环,还发现原来的环有分离现象,环的整体尺度,在发现以来的200年间,也有细微变化。它居然hold住了,没崩溃。

咦?!

有的科学家提出,或许它不是一整块的,而是固体流体组成,如果感到固体和流体放在一起矛盾,想想沙子就OK了。

麦克斯韦着手这个课题,首先假定土星环是固体环,经过精密计算,证明无论在哪种情况下,这个环都必须瓦解——它不可能成立。然后,他假定土星环是固体流体,把其中的个体看成质点,也就是说,土星环由无数漂浮的质点组成。他根据这个思想建立了模型,强悍的数学能力得到充分发挥,他得出结论:光环的稳定,取决于这些“质点”在其轨道切线方向上所受到的力——切向力。

1857年,麦克斯韦的论文《土星光环》获得了剑桥的亚当斯奖。1895年,他的理论被观测证实。

土星光环的研究,提升了麦克斯韦的哲学、科学洞察力,锻炼了数理分析、技术分析能力,在科学上走向成熟。

利刃照影,寒星游弋。我已做好准备,剑出鞘,必改天换地!

出鞘前,还有两件大事要做:后勤、后援。

1858年,麦克斯韦当了新郎官,新娘就是帮助过他的玛丽。虽说新娘比新郎大7岁,但这不重要。重要的是,他们相爱,玛丽倾心支持麦克斯韦的科学事业,解除了他的后顾之忧。而麦克斯韦也深爱着玛丽。1876年,玛丽患上神经性疾病,非常痛苦,麦克斯韦尽心尽力地照顾她。

1860年秋,马里斯查尔学院与别的学校合并,要裁员,麦克斯韦由于口才欠佳,被儿时好友泰特PK掉,失业了。不过,随后,麦克斯韦被聘为伦敦皇家学院教授。

秋高气爽。伦敦。一个阳光灿烂的日子。麦克斯韦拜访了法拉第。这是两个伟人的世纪之晤,这一见,具有划时代的意义。他们性格、年龄、爱好迥异,一个活泼和蔼,一个严肃机敏;一个年近古稀,一个刚届而立,相差40岁。但这不仅没有妨碍他们的交流,反而相辅相成,高山流水。法拉第是实验探索的大师,麦克斯韦是理论概括的巨匠,简直就是绝配!

法拉第有大师的才能,更具大师的气度。麦克斯韦就《法拉第的力线》征求他的意见时,法拉第说:“我从不认为自己的学说就是真理,但你是真正理解它的人……你不应该仅限于用数学来解释我的观点,而应该突破它!”

知道怎么做固然重要,知道做什么,更重要。

法拉第的话像一盏明灯,照亮了麦克斯韦的前进之路。有名师指点,麦克斯韦信心百倍,立即投入电磁研究。

他首先建了个理论模型,以便更直观、更透彻地研究法拉第力线。在这个模型里,他引进了一种充满空间的介质,来说明磁力线的相关应力。

至于磁体,麦克斯韦把它描述成这样一个吸管:它不断地吐纳介质,这头进,那头出,周而复始,磁力线就这样产生了。虽然“介质吐纳”不符合事实,但作为一个数学模型,它成功地导出了正确的结论。有人称之为“以太模型”。

在分析介质性质时,他发现,把静电单位和电磁单位相除,可以得到一个具有速度纲量的常数。后来科尔劳施和韦伯把这两个电量值给测出来了。运算得到的常数值,居然接近光速值!太巧了吧?!

1862年,麦克斯韦完成了论文《论物理的力线》。他阐述了“位移电流”概念,以及“以太模型”方面的探讨。

他把磁场中的转动这一假说,从寻常的物质推广到以太,提出磁场在以太中的涡旋电场概念。这个观念告诉我们,电这家伙,它不是只住在导体里的一种流体,而是充满空间的一种粒子,只不过,它的习性很奇特,在绝缘体(比方说空气啊塑料啊等等)里,它固定不动,而在导体(比方说金银铜铁锡啊等等)里,它可以自由运动。这样,如果我们让导体里的电运动起来——也就是产生电流,那么,这些粒子就会带动它周围的涡旋转动,这个转动传给邻居粒子周围的涡旋,像齿轮那样,以此类推,运动面就无限扩大,就形成了力线……

通过流体的观察实验,麦克斯韦认为,磁涡旋间的微小粒子,与电完全相同。

位移电流概念的提出,在电磁学中,是继法拉第发现电磁感应后的又一重大突破。从理论上成功解释了法拉第的实验结果,发展了法拉第思想。

根据这个假设,麦克斯韦导出了复杂的方程组。这相当关键。我们知道,不管哪门科学,只有它发展到高峰,才有可能用数学公式作为定律。

1863年,麦克斯韦再接再厉,完成了《论电学量的基本关系》,宣布了与质量、长度、时间有关的电学量和磁学量的定义,引入了成为标准的记号。电磁学又向前迈出了重要的一步。

1865年,麦克斯韦发表了划时代的论文《电磁场的动力学理论》,完善了他的方程组,用这个方程组,他证明了世界上有这样一种东西存在:电磁波。现在,我们都知道电磁波的重大意义。他还导出了电场、磁场的波动方程……法拉第当年关于光的电磁论的朦胧猜想,经过麦克斯韦的精准演算,成为科学的推论。

麦克斯韦在数学上证明了,这些电力和磁力的产生,不是因为粒子有特异功能,相互之间凭空发生作用的结果,而是电荷和电流所产生的“场”相互作用的结果。

真是令人膜拜,我想破脑袋也想不出,他是怎样发现、并且居然是用数学来证明这些的。

人比人得死,头比头得扔,为了不死不扔,咱不比了!

麦克斯韦还发现,每一个单独的“场”,都同时携带电力和磁力,也就是说,电和磁,是同一个力的两个方面。于是,针对这个力,和携带这个力的场,麦克斯韦说出了我们今天都非常熟悉的两个名词:电磁力、电磁场。

麦克斯韦方程预言,电磁场中存在波状微扰,并且以固定的速度行进,如同水面的涟漪。于是,麦克斯韦兴致勃勃地计算它的速度,算出电磁波的传播速度是介电系数和导磁系数的几何平均的倒数,一看得数,是一个惊人的巧合:这个波的速度居然等于光速!原来,几年前得到的那个值,不是一个巧合!

于是,麦克斯韦缓缓地爆出一个猛料:光,也是一种电磁波!

现在我们知道,麦克斯韦波的波长在390—760纳米之间时,它们就是可见光,我们在前面说过,光波长短与人眼可见范围的关系,这次算是复习。

以可见光为界,波长较短的不可见波,有紫外线、X射线、伽马射线;波长较长的不可见波,有红外线(小于万分之一厘米)、微波(1厘米左右)、射电波(这个很长,从1米到几公里或更多)。

电磁波还有一种奇异的特性,它们由于运动还可以改变波长,也就是可以相互转换,你变成我,我变成你,这个问题,我们在后面一定会遇到,此处暂不讨论。

现在我们明白了,原来光、电磁波是一回事,只不过波长不同、效应不同罢了。另外,咱们还明白一件事:不管波长波短,它们的速度相同。这一点至关重要。

这一年,麦克斯韦辞去皇家学院教授之职,回到家乡,系统总结自己在电磁学上的研究成果。

1873年,这是科学史上光辉灿烂的一年。麦克斯韦的《电磁学通论》横空出世。他更为彻底地应用了拉格朗日的方程,推广了动力学的形式体系。

麦克斯韦在这部经典著作中,系统地总结了19世纪中叶前后电磁学的研究成果,包括吉尔伯特、卡文迪许、库仑、伽伐尼、伏打、奥斯特、欧姆、安培、汤姆逊,特别是法拉第等人的巨大贡献,更为细致、系统地概括了他本人创造性的工作成就,建立起完整的电磁学理论。

这部巨著非同小可,可与牛顿的《原理》(力学)、达尔文的《物种起源》(生物学)相提并论。

从此,物理学的广袤大地上,在傲然挺立的力学大厦旁,灿烂辉煌的电磁学宫殿拔地而起,与之比肩!

这一年,电磁王国的总设计师42岁。

麦克斯韦的四元方程组,可以准确地描绘电磁场的特性,及其各种相互作用的关系,它最大优点,就是通用、好用——在任何情况下都好用。

描述:它高度概括并准确描述了电磁学理论。

证明:已经有的理论,用它能推导和证明出来,包括以前所有的电磁定律。

求解:以前没解决的问题,也能用它推导出答案。

预测:以前不知道的东西,或者理论、定律等,它能准确地预言,比方说,可以证明出电磁场的周期振荡的存在。这种振荡叫电磁波。用方程就可以算出,电磁波的速度接近30万公里/秒,而用不着任何测量仪器。麦克斯注意到这个得数与光速一致,由此得出光本身是一种电磁波的结论。

因此,麦克斯韦方程不仅是电磁学的基本定律,也是光学的基本定律。也就是说,用它可以推导出光的所有定律!这是人类在认识光的本性方面的又一大进步。光学和电磁学的统一,是19世纪科学史上最伟大的综合之一。

由于那时,麦克斯韦已经很有名气,他的《电磁学通论》一出,迅速被科学界人士抢购一空。

但很快,买书的人发现一个大问题:看不懂!

是啊,电荷、电流、电磁等东西本来就看不见,很抽象,麦克斯韦用更抽象的数学去描述它,那就比抽象还抽象了。加上麦克斯韦的思想太超前、太不同凡响,就连赫尔姆霍茨(德国物理、生理、心理学家,有人称之为达尔文之后最伟大的科学家)、波尔兹曼(奥地利物理学家,热力学和统计物理学的奠基人之一)这样的天才,也花了几年时间才理解。

懂的人少不要紧,要紧的是,电磁波这东西,没人看见过。物理学家们很彷徨,从理论上来看,麦克斯韦的整个理论是完美、可靠的,可是,传说中的电磁波在哪呢?

于是,人们开始怀疑。这一怀疑,就是15年。

麦总设计师建立了电磁王国后,也没想着去搞搞实验,制造出电磁波,来证明自己的理论是对的。他认为自己该做的都做了,实验的事,让别人去做好了。

这位大师放下电磁学,转头搞起了气体动力的研究,因为他在研究土星光环时,遇到过与此有关的难题,而我们的麦克斯韦,是不允许难题在自己面前张牙舞爪的,现在有时间了,该是收拾它的时候了。于是,麦克斯韦成为气体力学理论的创始人之一。

麦克斯韦生命的后几年,把全部精力都投入到卡文迪许实验室的建设上了。实验室是剑桥大学的一位校长威廉·卡文迪许私人捐建的,他是大科学家亨利·卡文迪许的近亲。思来想去,他觉得这样重大的一件事,交给麦克斯韦比较放心,于是,1871年,剑桥聘请麦克斯韦负责主持创建卡文迪许实验室,出任试验室物理学教授。

找对人了。麦克斯韦的能力超出了工作的需要。

麦克斯韦是个极度认真的人,接到任务后,他全心全意扑在实验室的建设上,使实验室设计完美,实验室建成后,他担任了第一届卡文迪许实验物理学教授,还拿出自己的积蓄维持运转。实验室建设的先进性、前瞻性、科学性,使其硬件一流;创建者为实验室留下优良传统,使其软件一流,培养出大批牛人,从1901年诺贝尔奖设立到1989年,这个实验室一共走出29位诺贝尔奖得主,电子、中子、脉冲星、DNA的双螺旋结构等都是在这个实验室被发现,波粒二象性也是在这里得到证明。

在建设卡文迪许实验室的同时,麦克斯韦还接受了另一项工作:整理卡文迪许的遗稿,个人始终认为这件事实在是大材小用了,这件事耗费了他生命的最后几年时间。麦克斯韦很好地完成了任务,卡文迪许埋没了差不多半个世纪的大量成果,被整理发掘出来。

最后几年,麦克斯韦过得很苦恼,新建的电磁理论不被人理解,这个还过得去。要命的是,他妻子长期患病,需要照顾,而他又必须干好工作,为了照顾好爱妻,他曾连续三个星期没上床睡过觉。

过度的焦虑和疲劳,终于击垮了他的身体。

1879年11月5日,伟大的麦克斯韦与世长辞。病因与母亲一样,年龄也一样,48岁。

随人苟且千秋短,

任我激扬片刻长。

麦克斯韦一生虽短,但他功高业伟、义重情长,为人类带来的是真理、进步和光明,他的功、德、名、道永驻人间;

而有的人,为人们带来的是欺骗、落后和黑暗,就算多活21年,也只是遭人唾弃和鄙夷,呜呼看身后,名比皮囊臭。

麦克斯韦是近代物理学的巨匠,经典物理学大厦的主要构建者之一,他提出和发展了新的世界观,加速了牛顿力学观的崩溃,为未来的科学研究指明了方向,成为现代物理学的先驱。

科学史认为,牛顿把天上和地上的运动规律统一起来,是实现第一次大综合;麦克斯韦把电、光统一起来,是实现第二次大综合,因此应与牛顿齐名。还记得吧,我们讨论过科学理论统一的重要性。

他的电磁学理论通向相对论,他的气体动力学理论对量子论起过作用,他筹建并领导的卡文迪许实验室,引导了实验原子物理学的发展……这一切,使他成为从牛顿到爱因斯坦之间最伟大的物理学家。

麦克斯韦1873年出版的《电磁学通论》,被尊为继牛顿《原理》之后的一部最重要的物理学经典。没有电磁学,就没有现代电工学,也就不可能有现代文明。

他生前没有享受到应得的荣誉,因为他的科学思想太超前了,其重要意义,直到20世纪科学革命,才得以充分体现。

再美丽的理论,没有经过实践的检验、实验的证实,也是空中楼阁,当不得真的。

检验麦爷的电磁学理论,是一件难事,因为理解这个理论已经很难,遑论检验?但,在那个激情燃烧的年代,每逢关键时刻,总会有强人挺身而出。

海因里希·鲁道夫·赫兹。

德国人。1857年2月22日出生。麦克斯韦的《电磁学通论》发表时,赫兹只16岁。赫兹绘画、外语、文学方面极有天赋,学过木匠,练过车工,当过兵,进修过工程师,但他发现,自己最挚爱的,是寻求科学真理。

麦爷理论刚建立时,支持他的物理学家很少,其中包括前面提到过的波尔茨曼和赫尔姆霍茨。他俩用了几年的时间,弄懂了电磁学理论。

然后,赫兹成了赫尔姆霍茨的学生。

然后,赫兹也弄懂了电磁学理论。

经过深入研究,他确信,麦爷的理论比牛爷的“超距作用”更靠谱,但是,证据呢?

木有。那就自己动手!

在天才赫尔姆霍茨的帮助下,1887年,天才的赫兹鼓捣出一个玩意,这玩意能把电转换为具有一定频率的电信号,后来人们管它叫“赫兹振荡器”。

赫兹设计了一套装置,主要分两个部分:振荡器、共振器。看名字就知道它俩的关系了,振荡器是主犯,负责以振动教唆;共振器是从犯,胁从共振。这俩家伙没什么头脑,结构比头脑还简单:

振荡器,是一根短导线,截成两段(更短了),截口处,离开一点缝隙。通电时,电压能击穿缝隙间的空气,形成电火花,产生震荡信号。为了增加电容,教唆得更狠一点,两段导线的外端,分别焊了一个金属球和一块金属板。

共振器,是一个金属圈,弄开一个断口,对了,套环魔术用的金属圈就是这样,只不过断口不能让咱看见。但共振器的断口很明显,在断口的两个端点,各安了一个小圆珠,为什么叫“安”不叫“焊”呢?因为这两个小圆珠是用螺丝安到端口上的,为的是可以调整俩珠的距离。

设备搞定,接下来,就是见证奇迹的时刻了!

给振荡器通电,逐渐增大电压,导线缝隙间的火花如约出现,直到形成一道扭曲闪烁的蓝光。这不算什么,电火花见得多了。教唆不是奇迹,人家肯胁从,才是奇迹。

赫兹转过头,盯着共振器,那是火花吗?

擦了擦眼睛,不是火花,是眼花。两器距离,两球距离,电压……各种调整,此动作重复了N次。

其实从准备到产生结果,整个实验进行了几个月,如果我照实说一遍,你一定会扁我一顿。于是我说:

期盼已久的时刻终于到来了!赫兹看见了电火花,在共振器的两个小球之间。

虽然这火花是那样微弱,但这是“凭空”产生的啊!没人给它通电,也没人对它做任何其他的事,它“发火”的唯一理由,竟然是跟它毫不沾边的另一个家伙在“发火”!

1887 年年底,赫兹在柏林科学院的院会上,宣布这个令人振奋的消息:实验证实了麦克斯韦关于位移电流的预言。震荡的电场向外传播的,就是传说中的电磁波!

共振器不是凭空“发火”,而是振荡器这家伙在利用电磁波,玩“隔山打牛”的魔术。

1888年,赫兹又做了一个实验,设备也超简单:

振荡器一枚,发射电磁波。

锌皮一块,反射电磁波。

电磁波就在两者之间反射,形成驻波……

Stop!等等,波是要传播的,驻是不动的,这俩字怎么能放在一起?玩QQ360呢?

其实,就像QQ360也可以和平共处一样,驻波,也能成词,它是由频率、振幅、振动方向都一样,但传播方向相反的两列波叠加后形成的波。这样的波,能量只能在波节和波腹之间来回折腾,所以,它不向前传播。其中,波节是振幅为零的点,能量最低;波幅指振幅最大处,能量最高。如果迷糊就看下图:

检测器一只,在振荡器和锌皮之间,顺着驻波前后移动,检测波段效应的强弱,最强处,就是波腹,最弱处,就是波节,波节和波腹两点之间的距离,就是半个波长,乘以2,就是波长。

赫兹测出,波长9.6米。先假设电磁波等于光速。速度÷波长=频率。算出了该电磁波的频率。

然后根据振荡周期公式,算出这个振荡器的谐振周期,也就是它发出电磁波的实际频率。

结果,麦爷又赢了,这俩频率相等。就是说,实验检测证明:电磁波速度等于光速。

31岁的赫兹按捺心中的狂喜,告诫自己,要淡定,要谨慎,憋住,不要说出那个答案!

接下来,是各种实验。(此处删去5万字)

所有试验证明,光的特性,电磁波都有:反射、折射、聚焦、偏振……

现在,是公布答案的时候了:实验证明,光就是一种电磁波!

赫兹的实验公布后,轰动了全球科学界,由伟大的法拉第开创、伟大的麦克斯韦总结发展的电磁理论,至此,取得了决定性的胜利!

这件事,是近代科技史上的一座里程碑,赫兹的发现,具有划时代的意义,他不仅证实了麦克斯韦的理论,还直接导致了无线电的诞生,开辟了电子技术的新纪元。麦克斯韦完美的创见,经赫兹之手,变成了客观现实。

赫兹是一位罕见的奇才,他对自然认识独到,很早就主张,用简洁的观念来反映自然现象,甚至说,自然规律,用时间、空间和质量的概念,就完全可以描述清楚。我们以后会知道,他的这个思想有多超前。这股势头保持下去,他还会发现什么,只有天知道。

令人伤感的是,1894年1月1日,海因里希·鲁道夫·赫兹因病去世,老天只给了这位天才37年的生命。

我曾写过一幅咏烟花的对联:

一瞬缤纷成往事,

满程痛快有余音

赫兹一生胸怀坦荡,一心追求真理,他的37年,短暂而辉煌,绽放了生命,挥洒了自我,痛痛快快地走完了人生之路的每一步。短短的37年,铸就了多少人上百年、几辈子也难以企及的两个字:

不朽。

为了纪念赫兹,人类用他的名字,命名了频率的单位。

赫兹还有一个贡献,他和亥维赛(英国自学成才的物理学家)把麦克斯韦的20个方程进行了归纳,简化成由四个方程组成的麦克斯韦方程组。下面,让我们来瞻仰一下神奇、伟大的麦克斯韦方程组的两种表达形式:

用微分形式表达:

咱得结合这组方程神奇而强大的功用,来欣赏它的简洁和工整。

这其实是一首诗,言简意赅却内涵深厚,韵律和谐兼意境广远。我来翻译一下:

有电则生磁,

此大彼则大。

反之亦然之,

相生更相洽。

电磁场与力,

无声起广厦。

问道有神功,

一式安天下!

呵呵,你看出来了,其实文盲还是文盲——我根本不懂这方程是怎么回事,这首顺口溜难以述及方程式的万分之一,但这并不妨碍我欣赏它,就像我不懂兰博基尼的内部构造,却并不妨碍我欣赏它的力量感和速度感一样。

上面两个方程组是等价的,只是表达方式不同。方程组一共四个式子:

第一式,描述了电场的性质。

第二式,描述了磁场的性质。

第三式,描述了变化的磁场激发电场的规律。

第四式,描述了变化的电场激发磁场的规律。

看不见摸不着却又无处不在、无形无影却又神通广大的神秘电磁万象,被这一组方程简洁、和谐、优美地表达了出来,它的美丽动人心魄,它的强大令人膜拜!人们说,它完美得像出自上帝之手,是历代著名文学青年、流浪诗人上帝他老人家写的一首诗

电磁波的发现,引发了无数发明,以前想都不敢想的东西,纷纷闯进我们生活的每一个角落,毫不客气地占据重要位置,成为我们的依赖,拽着人类社会发展的牛鼻子拼了命地往前跑。

1895年5月7日,俄国科学家波波夫发表了论文《金属屑同电振荡的关系》,并且演示了他发明的无线电接收机。几十年以后,这一天被定为“无线电发明日”。 1896年3月24日,波波夫在俄国物理化学协会的年会上,实现通信距离250米,内容是“海因里希·鲁道夫·赫兹”。这是世界上第一份有明确内容的无线电报。

1896年,意大利无线电工程师伽利尔摩·马可尼证明这些不可见光波可以用于实用通讯,他的实验通讯距离可达14.4公里,这一成果在英国取得专利,无线电随之问世,马可尼成为实用无线电报通信的创始人、企业家。

后来,人类陆续发现了不同频率的电磁波,并各尽其用。

无线电广播(1906年)、无线电导航(1911年)、无线电话(1916年)、短波通讯(1921年)、无线电传真(1923年)、电视(1929年)、微波通讯(1933年)、雷达(1935年),还有,遥控、遥感、加热、探测、卫星通讯、射电天文学……

想知道现代文明之前是个什么样吗?把上面这些从地球上删除,就知道了。

电磁波的应用发明还在继续。而这些,是建立在一个基础上的:麦爷的电磁理论。

实际上,电磁波无处不在。只要是本身温度大于绝对零度的物体,都可以发射电磁辐射,而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。

电磁波的频率越高,波长越短。波长不同,则性质也不同。

无线电波:几十公里(也有上千公里的)~0.3毫米(1米以下可称微波)。传真、电视、电话用的波长是3~6米。无线电的用途之广,大家都很熟悉,就不罗嗦了。

微波:100~0.1厘米。微波很奇妙,它对玻璃、塑料和瓷器这类东西,可直接穿越,不被吸收;水、食物等东西,能吸收微波而发热;金属类的东西会反射微波。想想看,微波在金属箱里折腾,穿过玻璃啊塑料啊陶瓷啊这些容器,把里面装的食物加热——太完美了!这种特性,简直就是为微波炉而生的!但微波最重要的职业不是厨师,而是通信,比方说雷达,雷达不仅用于军事,它在导航、气象测量、大地测量、工业检测和交通管理等方面都有杰出贡献。具体一点的比如射电望远镜、微波加速器等。微波还与其他学科互相渗透,形成微波天文学、微波气象学、微波波谱学、量子电动力学、微波半导体电子学、微波超导电子学等重要的边缘学科。

红外线:0.3毫米~0.77微米。在光谱中,它排在可见光红光的外侧,所以叫红外线。它有较强的穿透能力,不易散射,还有显著的热效应,可以加热物体,并且在医疗、军事、摄影、通信、遥感探测、找矿等许多领域应用广泛。具体一点的比如咱家遥控器、红外线望远镜、红外制导导弹等等。

可见光:0.76微米~0.39微米。赤橙黄绿青蓝紫,谁持彩练当空舞……这是我们观察事物的基础,人人都熟悉,其作用就不罗嗦了。单说这个可怜的范围。电磁波的波长范围很广,长的达十几公里以上,短的在到0.1纳米以下,我们掐头去尾,以10公里封顶,0.1纳米保底,算一下:10公里是0.1纳米的100万亿倍。而我们可见光的波长,最长和最短的只相差2倍,只占电磁波波长范围的50万亿分之一,是完全可以忽略不计的一小段。就是这极其细微的一小段,已经让我们感到了世界的多姿多彩、目不暇接了,如果我们能看见全部电磁波,老天呀!我们眼里的世界会是个什么样?!

紫外线:0.38微米~10纳米。在光谱中,它排在可见光紫光的外侧,所以叫紫外线。太阳辐射中有大量紫外线,它有很强的灼伤性,如果直接照到人的皮肤上,时间一长,就得皮开肉绽,各种疤瘤,惨不忍睹,世上再无帅帅GG,更无漂漂MM,阳光将成为养育万物的恩公兼杀害万物的凶手,悲催啊!不过这种事情只是YY而已,实际上,由于紫外线极易被吸收,所以在通过大气层时,波长0.28微米以下的紫外线几乎全被吸收,到达地面的少量紫外线,对人类和动物已无危害。哗,世界真奇妙。紫外线可用来分析矿物、金属探伤、治疗皮肤病和软骨症等,具体一点的比如医院用来消毒的紫外线灯、紫外线验钞器等。

X射线:10纳米~0.1纳米。也叫X光。1895年由德国物理学家伦琴发现,所以也叫伦琴射线。X射线穿透力很强,能透过纸、人体、木材,甚至金属片等物体,所以我们主要用它来“透视”,像检查人体疾病呀,研究矿体、晶体内部结构啊,金属探伤呐等等。具体一点的比如医院的X光机等。

γ射线:0.1纳米以下。原子核衰变可放射γ射线。1900年由法国化学家维拉德发现。γ射线能量较高,性质与X射线基本相同,但它比X射线硬度高,穿透性更强,能穿透30厘米厚的钢铁,可以用它来检查钢铁、机器的质量。但它的用途,远不止于此,在医学、农业、化学、天文学等领域,可谓独步江湖,可杀死细胞、刺激作物生长、促进化学反应、进行天文研究等,具体一点的比如医院的伽马刀等。

据2011年9月的消息,英国斯特拉斯克莱德大学发明了地球上“最明亮”的伽马射线,亮到什么程度呢?比太阳亮1万亿倍!

这种伽马射线,是用超短激光脉冲与电离气体反应产生的,十分的强悍,可以穿透20厘米厚度的铅板,要用1.5米厚的混凝土墙才能屏蔽它。

由于它刚刚出生,目前只知道它将开启医学研究的新纪元,还能在原子核研究领域大展身手。

人类将来还会搞出什么电磁波,这些电磁波会给我们的社会带来怎样的变化,只有天知道。

当我们为《永不消逝的电波》内牛满面时,当我们对着手机口是心非情意绵绵时,当我们在飞驰的火车上用笔记本为所欲为时……我们可曾想到那个光辉的名字——麦克斯韦?

我们简单地再念叨一遍:电报、电话、广播、传真、电视、雷达、遥控、卫星通信、计算机、互联网……

没有麦克斯韦,这些作为现代社会标志物的东西,会在人类发展史上的哪个年代出现?

根据麦克斯韦理论,射电或光波的速度是固定的。

还记得牛顿理论“不存在绝对静止的标准”吗?

以上这两个观点相互不和谐。看不出哪儿不和谐,那也不要紧,咱俩还是回到火车上打乒乓球吧。火车时速还是100英里。

这是一节软卧车厢。

不过所有设施都拆走了,以便放这张乒乓球桌。

所以它变成了一节硬桌车厢。

你背朝火车前进的方向,眼神有些忧郁,看着对面的我。

我表情有些凝重,轻轻挥拍向你击过一球。

30英里,是球的时速。

你我虽然是对手,却在这一点上达成了共识。

然而,列车外,轨道边,芳草碧连天,一个毫不相干的家伙居然不同意咱俩的意见。

他说出了和我们的测量相距甚远的一个时速:130英里。

理由是,他看见火车以100英里的时速前进,我击出的那个球在此基础上,以30英里的时速继续向前飞去。

所以,根据小学一年级算术,球速是100+30=130。

刚好咱俩也上过小学,所以相视点头,作会意状,一致同意了他的看法。

同一件事,总是有两个完全不同的答案。这种事(不是这道题)要是在咱国高考中出现,被标准答案一票否决,岂不是坑爹坑爷坑老祖?

究竟哪个是对的?

牛顿教导我们,要搞清楚球的速度,你得先说清楚,它是相对于火车、地面、见到城管的摊主,还是神七?总之“参考系”不同,得出的结果就不同。

这说明什么?说明两个问题:

第一、这个理论,对光也应该成立。所以,你说光以固定的速度旅行,首先必须说清这“固定”速度是相对于什么东西来测量的,只有参照物“静止”,光速才可以“固定”。

第二、既然所谓静止、运动、速度都是相对的,是根据参照物而定的,那么,只要有运动的物体,就不存在绝对静止的东西。

问题来了,既然没有绝对静止(固定)的东西,也就是不存在“固定”不动的参照物,那么,光的固定速度从何而来?

矛盾了不是?