Science 版 (精华区)

发信人: emacs (被淹死的鱼), 信区: Science
标  题: 第二章　机械观的衰落(4) 
发信站: 哈工大紫丁香 (Thu Jun 13 18:56:55 2002) , 转信



２　机械观的衰落（4）

光的波动说——光是纵波还是横波——以太与机械观——结语

光的波动说

　　让我们回忆一下前面描写光学现象时突然停下来的原因。我
们当时的目的是要介绍另一个光的理论，这个理论与微粒说不
同，但也想做到能解释同样多的现象。为了这个缘故，我们不得
不中断我们的故事而来介绍波的概念。现在我们可以回到原题上
来了。
　　第一个提出一个完全新的光理论的人是和牛顿同时代的惠更
斯（Huygens）。在他的光学论文中，他写道：

　　　　假如光的通过需要一定的时间——这正是我们现在
　　要考查的——则这种在介质中传播的运动是一个接着一
　　个的，因此它是和声一样以球面及波的形式传播的。我
　　所以把它叫做波，是因为它与石子丢在水中所激起的波
　　相似，这些波也是相继地以一个个的圈子传播出去，不
　　过产生的原因不同，而且只在平面上而已。

　　按照惠更斯的说法，光是一种波，它是能的迁移而不是物质
的迁移。我们已经知道微粒说解释了许多已观察到的现象，光的
波动说也能做到这一点吗？我们必须把微粒说已经回答了的问题
再问一遍，看光的波动说是否也能口答得同样好。我们试采用谈
话的方式，谈话的一方是牛顿学说的信奉者，简称为“牛”；另
一方是惠更斯学说的信奉者，简称为“惠”。两个人都不许利用
这两位大师死后所发展的论证。

　　牛：在微粒说中光的速度具有完全确定的意义，那就是微粒
通过真空的空间的速度。在波动说中它的意义是怎样的呢？
　　惠：自然，它就是光波的速度。每个人都知道波是以某种确
定的速度传播的，光波当然也是这样。
　　牛：这看来不像那样简单吧！声波是在空气中传播的，海波
是在水中传播的。每一种波都必须有一种具体的介质才能在其中
传播，但是光能透过真空，而声却不能。设定真空中的波实际上
等于根本没有设定波。
　　惠：是的，这是一个困难，不过对我来说这并不是一个新的
困难。我的老师已经把这个问题仔细想过，而认为惟一的出路便
是假定一种假设的物质——以太的存在，这是一种充斥于整个宇
宙的透明的介质。整个的宇宙可以说是浸在以太之中，一旦我们
有勇气引用这个概念，其余一切都是明白而确切的了。
　　牛：但是我反对这样一个假定，首先因为它引用一个新的虚
假的物质，而物理学中的物质已经大多了。还有一个反对它的理
由，毫无疑问，你相信我们必须用力学来解释一切，但是怎样来
解释以太呢？你能答复下面这个简单的问题吗？以太是怎样由基
本粒子组成的，而且在旁的现象中它是怎样出现的？
　　惠：您的第一个反驳当然有道理，但是引入稍为牵强的没有
重力的以太以后，我们便可以立刻放弃那更为牵强的光的微粒。
这里我们只有一种“神秘的”物质，而不致于有与光谱中的许多
种色相对应的无数的物质。你不觉得这实在是一个进步吗？至
少，所有的困难都集中在一点上了。我们不再需要虚伪地假定各
种色的粒子都以相同的速率通过真空了。您的第二个反驳也是对
的，我们不能够对以太作一个力学的解释。但是毫无疑问，对光
学的现象以及旁的现象的往后研究中也许会显示出以太的结构
来。目前我们必须等待新的实验与结论，但是我希望最后我们总
能够解决以大的机械结构问题。
　　牛：我们暂且丢开这个问题，因为目前无法解决它。即使我
们撇开那些困难，我还想知道你的理论如何去解释那些被微粒说
解释得很明白而容易理解的现象，例如光线沿直线在“真空”或
空气中通过的情况。把一张纸放在灯的前面，结果会在墙上产生
一个清晰的。轮廓分明的影。假如光的波动说是正确的，清晰的
影决不可能有，因为光会绕过纸的边缘，使影变得模糊。您知
道，在海洋中小船不能阻挡波，波会绕过它，也不会出现小船的
影子。
　　惠：这不是一个能使人信服的论证。试看河里短的波打在大
船的边上，在船的这一面发生的波在另一面就看不到。如果波十
分小而船十分大，便会出现一个清晰的影。我们所以觉得光是沿
直线行进的，很可能是因为它的波长比起普通的障碍物以及实验
中所用的孔来要小得多。如果我们能够做出一个足够小的障碍
物，很可能也会什么影也没有。要制造一个能够证明光是否能被
弯曲的仪器，我们可能会遇到很大的实验上的困难。可是，如果
能想出这样一个实验，就能对光的波动说和微粒说下一个判决性
的结论了。
　　牛：光的波动说也许在将来能导致新的论据，但是现在我不
知道有何可以确切地确认它的实验资料。除非用实验确实证明了
光会弯曲，我看不出有什么理由不相信微粒说。这个学说，在我
看来比波动说简单，因而也就较好。

　　虽然这个问题还没有彻底解决，我们可以把谈话在这里停下
来了。
　　我们还需要说明光的波动说怎样去解释光的折射和色的多样
性，我们知道光的微粒说能够作出这种解释。我们从研究折射开
始，但是将首先考察一个与光学毫无关系的例子，因为这对考察
折射现象很有用处。
 
　　假设在一个空旷的场地上有两个人悬着一根坚实的棍子在走
路，棍子由两人各执一端（图３９）。只要开始时他们以相同的
速度笔直向前走去，只要两人的速度保持一样，那未不论速度的
大小如何，棍总是作平行的位移，就是说，它的方向不会改变。
棍的连续不断的所有位置都是相互平行的。现在，我们设想在一
极短的时间之内，也许只有几分之一秒，两个人走路的速度不同
了，会发生什么情况呢？很明显，在这一瞬间，棍子转向了，因
此它不再对原有的位置作平行位移了。等到恢复为相等的速度时，
它的方向已经与原来的方向不同。这在图上已明显地表现出来了，
方向的变更发生在两个行路者的速度不同的瞬间。
 
　　这个例子使我们能了解波的折射。一列在以太中行进的平面
波碰在玻璃表面上，在图４０中，我们可以看到一个具有比较大
的波前的波在向前行进。波前是一个平面，在任何时刻，这个平
面上的以大的各部分其行为相同。因为光的速度依光所通过的介
质而异）因此光在玻璃中与在“真空”中的速度不相同。在波前
进入玻璃的极短时间内，波前的各个部分各有不同的速度。很明
显，已经到达玻璃的那部分便会以玻璃中光的速度行进，而其余
部分则仍以光在以太中的速度运动。由于“浸”人玻璃时波前各
部分的速度不同，波本身的方向便有了变更。
　　由此可见，不仅光的微粒说，而且光的波动说也可以解释折
射。假如再加上一点儿数学知识用作进一步的考察，便会发现光
的波动说的解释更简单。更好，而且结果与观察完全相符。事实
上，如果我们知道一束光进入介质时的折射情况，使用定量的推
理方法，我们可以推出折射介质中的光速来。直接测量的结果圆
满地确认了这些预言，因而也确认了光的波动说。
　　现在还留下一个色的问题没有解决。
　　必须记得，一个波是用两个数来表征的，即它的速度和波
长。光的波动说的主要假定是：各自的色有各自的波长。黄色的
单色光的波长与蓝色光或紫色光的波长不同。现在我们已经有用
波长来自然地区别光色的办法来代替按不同的色来勉强地分为不
同的微粒的办法了。
　　因此牛顿关于光的色散实验可以用两种不同的语言来描述，
即微粒说的语言和波动说的语言。举例如下：

微粒说的语言 波动说的语言 　　归属于不同色的微粒在"真
空"中的速度相同，但在玻璃中
则不相同。
　　白光是归属于不同色的微
粒的组合，而在光谱中它们是
分离开了。 　　归属于不同色的波长的不
同的光线，在以太中速度相同，
但在玻璃中则不相同。
　　白光是各种波长波的组合，
而在光谱中它们是分离开了。
 

　　同一种现象出现了两种不同的理论，为了避免这种混乱情
形，最好把两者的优缺点作一番细致的研究，然后决定赞成哪一
种。但是听过“牛”与“惠”的谈话以后，我们知道这不是一件
容易的工作。目前要作出决定，与其说是根据科学的确证来决定
的，还不如说是根据兴趣来决定的。在牛顿时代以及其后的百余
年间，多数的物理学家都赞成微粒说。
　　后来在１９世纪中叶，历史作出了它自己的判断——它赞成
波动说而反对微粒说。在“牛”和“惠”的对话中，“牛”说
过，这两个理论之间的争论原则上是可以用实验决定的。微粒说
不允许光会弯曲，而要求出现清晰的影。而在另一方面，依照波
动说，一个十分小的障碍物不会投下任何影子。在杨(Young)和
菲涅耳（Fresnel）的研究成果中，这个结果居然用实验方法实现
了，而且理论上的结论也推出来了。
　　我们已经讨论过一个极端简单的实验，这个实验是把一个有
孔的屏放在点光源之前，就会在墙上现出影来。我们把这个实验
再化得简单些，假定光源是发射单色光的。为了要得到最好的结
果，必须用强的光源，并且设想屏中的孔做得愈来愈小。假如我
们用很强的光源，而把孔做得十分小，便会有一种新奇的现象出
现，这种现象从微粒说的观点来看是很费解的。光亮和黑暗之间
不再有明显的区分了，光成为一连串的亮环与暗环，渐渐消失于
暗的背景中。环的出现正是光的波动说的最好表征。对于亮环和
暗环相互交替的原因，要在一个稍微不同的实验里才会得到清楚
的解释。假设我们有一张黑纸，纸上有两个针孔，让光通过这两
个小孔，如果两孔非常接近又非常小，而且单色光的源非常强，
则在墙上会现出许多亮带与暗带来，它们在边上渐渐消失于暗的
背景中。解释是很简单的，暗带就是从一个针孔射出的波的谷和
从另一个针孔射出的波的峰相遇之处，因为它们是相互抵消的。
亮带则是从不同针孔里射出来的两个波的两谷或两峰相遇之处，
因为它们是相互加强的。若是在前一例子中，我们对暗环与亮环
的解释就要复杂得多，因为那里所用的是只有一个孔的屏，但原
理是一样的。通过两个孔就现出亮带和暗带，通过一个孔便现出
暗环和亮环，这个现象必须牢牢记住，因为以后我们还要转回来
讨论这两个不同的图景。这个实验显示出了光的衍射，即把小的
孔或小的障碍物放在光波行进的路线上时，光的直线传播就发生
偏移（参看书未的附图Ⅱ）。
　　利用一点儿数学我们还可以大大往前走一步，我们可以求
出，要多大或者不如说要多小的波长才能产生这样的衍射花样。
因此这里所描述的实验，使我们能够测量作为光源的单色光的波
长。要知道这个数是如何的小，我们可以指出太阳光谱中可见光
的两个极端的波长，那就是红光与紫光的波长。
　　红光的波长是0.000 08厘米，
　　紫光的波长是0.000 04厘米。
　　我们不必惊异这些数字这样小。我们所以能在自然界中观察
到清晰的影的现象，也就是光的直线传播的现象，正是因为通常
所有的孔和障碍物比起光的波长来都大得多的缘故。只有用极小
的障碍物与孔，才能显示光的波动的性质。
　　但是寻求一个光的理论的故事还没法终结，１９世纪的判决
不是一个终审的判决。在现代物理学家看来，要在微粒与波动之
间作出判断的整个问题仍然是存在的，不过现在来判断这个问题
要采取一种更深刻更复杂的形式了。在没有看到波动说胜利的可
疑点以前，我们暂且承认微粒说的失败。


光波是纵波还是横波

　　我们在前面考察过的一切光学现象都是支持波动说的。光
会弯曲而绕过小的障碍物，以及对折射的解释，就是支持它的有
力论据。如果以机械观作为指导思想，那么还需要答复一个问
题，就是怎样来决定以太的力学性质。要解答这个问题，必须先
知道以太中的光波是纵波还是横波。换句话说，光是像声一样传
播的吗？光波是由于介质密度的变化，而使得粒子向波传播的方
向作振动的吗，还是以太是一种弹性胶质物那样的介质因而只能
产生横波，并且它的粒子的运动方向跟波本身传播的方向是垂直
的吗？
　　在解决这个问题之前，我们试决定哪一个答案比较好些。很
明显，若光波是纵波，那真是再好不过了，因为在这个情况下来
设计一种力学的以太便简单得多了。以太的图景大概跟解释声波
传播的气体的力学图景相似，要构成能传播横波的以太的图景就
困难多了。要想象一种胶质物作为一种由粒子组成的介质，由它
来传播横波，这不是一件容易的事。惠更斯相信以太会是“气
状”的而不是“胶状”的，但是自然界毫不理会我们给它的限
制。在这件事情上，自然界会容许物理学家力图用机械观来了解
所有的现象吗？要回答这个问题，我们必须讨论几个新的实验。
　　我们只详细讨论许多实验中的一个，这个实验能够提供给我
们一个答案。假设我们有电气石晶体的一片薄片，它是用一种特
殊的方式切出来的，切的方法我们不需要在这里描写。晶体的薄
片必须薄得使我们通过它可以看见一个光源。现在我们取这样的
两块薄片把它们都放在眼睛与光之间，我们会看到什么呢（图41）？
 
假如两薄片都足够地薄，便又可以看到一个光点。这样的机会很
多，实验符合了我们的期望，我们不必担心这一实验报告可能是
由于偶然的机会所造成的。让我们假定我们是通过两个晶体片看
见一个光点的，现在我们慢慢转动一个晶体片来改变它的位置。
但转动时所绕的轴的位置必须是固定不变的，这样上面这句话才
有意义。我们以入射光所定出的线为轴。这就是说，我们移动了
一个晶体片上所有的点的位置，只有轴上的点的位置不变。一件
奇怪的事发生了！光愈来愈弱，最后完全消失。假如继续转动，
它又会再现出来，而等到回到最初的位置时，又重新恢复最初的
景象。
　　我们用不着详细描述这个实验及其他类似的实验就可以提出
下面的问题：如果光波是纵波，能够解释这些现象吗？在纵波的
情况下，以太的粒子必须和光束一样沿轴运动。如果晶体转动，
沿轴线的点并不发生变化。轴上的点没有运动，只有在其附近发
生很小的位移而已。因此对于纵波来说，决不可能发生光消失和
光显现的明显变化。这个现象以及诸如此类的现象，只有假定光
波不是纵波而是横波才能解释！换句话说，我们必须假定“胶
状”的以太。
　　这是很令人遗憾的，我们如果企图用力学来描述以太，那么
必须做好面临极大困难的准备。


以太与机械观

　　为了试图理解作为传播光的介质以大的力学性质，物理学家
曾经做过各种各样的努力，如果都要讨论它，就会写成一本很长
的历史书。我们知道，力学上的解释是指物质是由粒子组成的，
沿着它们之间的连线上有力作用着，而这个力只与距离有关。为
了把以太说成是一种“胶状”的机械的物质，物理学家必须作一
些很牵强和不合理的假定。这里我们不准备把这些假定引出来，
因为它们早已过时了，而且差不多已经被人遗忘了，但其结果却
是有重要意义的。所有这些假定是那样的不合理，还要引入那么
多，而且它们相互之间又毫无关联，这些情况都足以动摇我们对
机械观的信念。
　　把以太说成是胶状的物质已经很困难了，但是还有其他更简
单的反对它的理由。假如要用力学方法解释光学现象，必须假定
以太到处存在。假如光只能在介质中通过，那么便不能有真空的
空间。
　　但是我们由力学知道，星际空间对物体的运动并没有阻力。
例如行星在“以太胶质物”中运动便没有受到任何阻力，但物质
介质必然会阻止物体的运动。如果以太不阻碍物质的运动，那么
说明以太粒子和物质粒子之间没有任何相互作用。光通过以太，
也通过玻璃与水，但在后面两种物质里它的速度却变了。怎样能
够用力学方法解释这些论据呢？很明显，只能假定以太粒子与物
质粒子之间有相互作用。我们刚才已经知道，对自由运动的物体
来说，必须假定这种相互作用不存在。换句话说，在光学现象中
以太与物质之间有相互作用，而在力学现象中却没有！这显然是
一个很自相矛盾的结论。
　　看来，摆脱这些困难只有一条出路。在２０世纪以前的整个
科学发展过程中，为了企图根据机械观去理解自然现象，必须引
人许多虚假的物质，如引入电流体、磁流体、光微粒、以太等。
其结果只是把所有的困难集中在主要的几点上，例如光学现象中
的以太即为一例。这里所有想简单地构成以太学说的企图都没有
成功，再加上别的反对意见，于是我们觉得，错误的根源似乎在
根本假设上，即我们不应该认为可以用机械观解释一切自然现
象。科学未能彻底实现机械观的预言，现在已经没有一个物理学
家再相信它有实现的可能了。
　　前面对主要的物理观念所作的简单回顾中，我们遇到了一些
没有解决的问题，面临着一些困难与阻碍，使我们不敢再提出一
种对描述外在世界的一切现象都能完全一致的观点。在经典力学
中，有一个没有人注意到的线索——引力质量与惯性质量相等。
那里还有电流体和磁流体的不真实的性质存在，那里对于电流与
磁针之间的相互作用也是一个尚未解决的困难。我们可以回忆一
下，这种力不在连接导线与磁极的直线上作用，而且它跟运动着
的带电体的速度有关，表述它的方向与数值的定律又极端复杂。
最后还有关于以大的巨大困难。
　　现代物理学已经解决了所有这些问题，但是在解决这些问题
的斗争中又产生了新的、更深奥的问题。我们的知识比１９世纪
物理学家的更广更深了，但是我们的疑惑与困难也比他们更广更
深了。


结语

　　电流体的旧理论以及光的微粒说和波动说都是进一
步企图应用机械观的结果，但是在电学和光学领域内，
这种应用遇到了极大的困难。
　　运动着的带电体对磁针的作用力不仅与距离有关，
且与带电体的速度有关。这种力对磁针既不推斥也不吸
引，而是垂直地作用在连接针与带电体的直线上的。
　　在光学中我们赞成光的波动说，而反对光的微粒说。
波在粒子组成的介质中传播以及有机械力作用于二者之
间的说法显然是一种力学上的概念，但是传播光的是一
种什么介质而它的力学性质又是怎样的呢？在这个问题
没有解答出以前，要把光学现象归结为力学现象是没有
希望的。但是解决这个问题的困难大得很，以致我们不
得不放弃它，因而也不得不放弃机械现。


--

※ 来源:．哈工大紫丁香 http://bbs.hit.edu.cn [FROM: 211.93.34.115]