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物理像光,可以照亮无知的黑暗

2016-06-25 07:56 大数据实验室

我想讲一个让我透过

看似无聊冰冷的文字公式

激动不已的有趣故事。

小时候,老师说物理像光,可以照亮无知的黑暗

那什么是光?

波粒二象性(wave-particle duality)的争论,

便是一场持横跨千年,扣人心弦的接力。


中断,

领先,

反超,

言和,

每棒接力都无比激动人心!


-------第一棒-------



公元前五世纪,希腊先哲们就开始解释什么是光。


恩培多克勒(Empedocles)认为世间万物有四种元素组成,水,火,土,空气(五行学说表示已侵权60%)。在下和这位同学也是有一些共同点的,比如女神控。这位同学认为,美丽的女神阿佛洛狄忒(Aphrodite)用这四种物质创造了人眼,并且在人眼里面放火,然后眼睛发射出光线了,就像闪光灯一样,于是人类有了视觉。

有人就问了,“哎哎,照您这么说,那我晚上白天应该看什么都能看清呀,女神晚上不在我眼睛里放火吗?女神呢?还我女神?”

恩培多克勒想了想,告诉这些无知群众,其实呀,眼睛里面发射出来的光和其他地方发出的光是有互动的,互动好了你才能看见。

人民群众似乎安静了一百来年。


恩培多克勒作为第一棒,奠定了正确的方向,接力赛朝着正确的方向开始了。



-------第二棒-------


公元前300年前后,一个大牛欧几里得(Ευκλειδης)就开始下一轮攻击了。

“星星离我们远不远,远吧。那我晚上为什么一闭眼然后再睁眼,就能看见星星呢?难道光传播速度超级快吗?难道你提前两千年就预测到光在真空中以3*10^8m/s传播吗?”

成吨的问题问完之后,欧几里得什么人,几何之父呀,分分钟大笔一挥,反射公式就被他用几何公式写下来了。

大牛的权威让世界安静了二百多年。

欧几里得的赛程里,接力棒不紧不慢,矫健的步伐让这场接力赛顺利地继续着。


-------第三棒-------



公元前55年,卢克莱修(Titus Lucretius Caru)表示希腊原子论简直不能更正确。然后,这位同学表示,“太阳的光和热都是由微小原子组成。” 本人觉得这句还比较符合当时的认知水平,可是他还说了另一句,简直就是预言帝呀--“太阳光发射后将没有损耗地穿过空气介质背离光源前进”。说吧,你是不是穿越回去的,一看就是上高中物理课的时候写数学作业了。

卢克莱修的认知水平已经接近近代量子力学,可是在他那个年代,并没有多少人觉得他说的对。

欧洲似乎就消停了,毕竟中世纪就是黑历史。


卢克莱德倒下了,接力棒被重重地摔在地上,尘埃渐渐落下,痛苦的表情中更多的是怀才不遇的无奈,卢克莱德饮恨离开了跑道。这场接力,也因此沉寂。



-------第四棒-------



勒内·笛卡儿 (René Descartes)不光研究代数和几何,也研究了光。他认为光就是一种波,他靠这个解释了折射现象,毕竟几何学不是白学的,然后,矫正视力的透镜就被他设计出来了。经过几百年,这个设计还稳稳地站在我的鼻梁上,让在我眼镜焦距之外的电脑屏幕清楚地呈现在我的视网膜上。

但是人无完人,他对光在不同介质中的传播速度的解释并不正确,他认为光速和传播媒介的密度成正比。


伟大的人也会犯小错误,从现在开始,真相已经不远了,加油,笛卡尔,握紧接力棒,接力已经中断上千年,虽然有失误,但你已经很出色了。精彩的比赛就在你的下一棒!



-------第五棒-------


皮埃尔·伽桑狄(Pierre Gassendi)在17世纪阐述了自己的光粒子假设。

格里马尔迪(Francesco Grimaldi)也已经观察到了衍射现象,想想一下,光通过一个小孔就可以照亮一大片,怎么可能是粒子,必须得是波呀。

艾薩克·牛頓(Issac Newton) (插嘴,这个英文名不是复制粘贴的,毕竟是真牛)在早年研究了这个假设,还顺便踩了一下笛卡尔的肩膀,比较过后更倾向于笛卡尔提出的实空理论(theory of the plenum),这个理论表明“光是由光源向四面八方发射的微粒组成”

牛顿坚持光的粒子性,最有力的论据就是光沿着直线传播,根本绕不开任何物体。(在牛顿的年代,其实可以让光绕过的东西很多,比如针头。)

罗伯特·胡克(Robert Hooke)在英国皇家学会公开反对牛顿的光粒学说,坚持波动理论,牛顿所著《光学》一书直至胡克去世才得以发表。(两人因此结仇,有学者认为牛顿名言,“如果我看得远一些,那是因为我站在了巨人的肩膀上。”有嘲讽胡克身材矮小的可能。)

牛顿凭借着强壮的力量越跑越快,但是伟人光芒让他迷失了方向。

他企图用加速度和万有引力解释光的折射现象,笛卡尔的光速和传播媒介的密度成正比的观点已经偏离实际,牛顿又用光进入高密度介质时所受引力更大使光加速,来解释折射,错上加错。


但是格里马尔迪的观察现象又不得不让牛顿作出妥协。

蒸汽时代来了,我们有了新的动力,竟还是不理解光,我们可以的,咬紧牙关,我们会胜利的。


第五棒的选手们,你们已经更接近胜利了,牛顿或许渐行渐远。格里马尔迪,胡克,你们已经快把他带回正轨了,拉紧他,终点不远了。坚持住,你们可以的。



-------第六棒---------



托马斯·杨(Thomas Young)作出了双缝干涉,光就是波,一些特殊点上波会互相加强,也有减弱的地方。

克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)和奥古斯丁·菲涅耳(Augustin Fresnel)提出了惠更斯-菲涅耳原理(Huygens–Fresnel principle)之后,互相影响过的波还会继续互相影响。光为何像前传播,光为何衍射都被解释了。

1845年,迈克尔·法拉第(Michael Faraday)发现了当偏振光穿过施加了磁场的透明介质时,会发生偏振旋。

横波,横波!我们做到了!光是波,是电磁振动

是呀,你做到了,电气时代了,我们已经可以千里传音了,我们马上就可以真正了解光了。

一根绳子的振动可以轻松的通过一个窄门,只要振动方向和窄门平行,如果振动方向和窄门相交,波就会被阻断。

光就像绳子上的波,磁场可以改变绳子上的波振动方向。

两个时代的交接,谢谢你,法拉第,跑起来,气喘吁吁不是筋疲力尽,而是看到终点曙光的欣喜若狂!



-------第七棒-------



詹姆斯·馬克士威(James Clerk Maxwell)发现了自生电磁波会以恒定速度传播,而且这个速度恰好等于光速,光可能是一种电系波吧?

海因里希·赫茲(Heinrich Hertz)收到了麦克斯韦的信,继续向前摸索。


实验中,赫兹观察到了装置发射和接收的电磁波

赫兹,我们做到了,光就是波。终点到了,欢呼吧,尽情欢呼吧!

波动派赢了,光是波。


光速在真空中恒定不变,爱因斯坦用它打开了相对论的大门,经典物理的时代终结了。


牛顿错了,大错特错,真理在我们手中。


无线电通信开始了,数学家们会此注入无限生机,有线电话已经过时。无线电的天空由我们主宰,艾伦图灵,蒂姆·伯纳斯,温顿·瑟夫,比尔盖茨,史蒂夫乔布斯这些名字因为你开始熠熠生辉!

在胜利者的微笑中,赫兹走向了另一条赛道。

为什么,赫兹,你又传出了接力棒?

只因为赫兹发现了光电效应,光束照射下的金属会发射电子。

短暂的欢喜之后,或许,我们错了。



-------第八棒-------



另一条赛道上,一队人马还在继续,赫兹的接力棒又开始传递!

馬克斯·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)发现了黑体在平衡状态下发射光谱规律。谐振子吸收或者发出的电磁波能量可以被量化,对这就是量子!

普朗克,快,对手们也在帮助你,爱因斯坦已经来了。



-------第九棒-------



爱因斯坦解释了光电效应,光的能量并非均匀分布,而是由光子承载,而光子的能量和光的频率有关。

光就是一束量子!只要频率足够大,就可以让金属发出光电子。

光也是粒子!

羅伯特·密立根(Robert Millikan)通过实验证明了爱因斯坦的理论。爱因斯坦因此拿到了诺贝尔物理学奖。(私货:爱因斯坦爷爷得奖不是因为写了相对论,更不是因为棒美国造出了核弹)

还记得19世纪的最后一天,开尔文勋爵(William Thomson, 1st Baron Kelvin)无可奈何地承认经典物理之上的两朵乌云。多少人前赴后继,只为追求完美的物理,却都在阴霾中迷失了方向。

今天,云开雾散,一个新的世界——量子物理向我们敞开了大门。

比赛结束了,两队都到了终点。气喘吁吁中相顾一笑,你我都是胜者!


千年来的争论并没有孰是孰非!光是粒子,也是波!

爱因斯坦把接力棒投向了观众席。



-------第十棒-------



路易·德布罗意(Louis de Broglie)建起了接力棒,不只是光,所有物质都可以同时是粒子和波!

(ps这哥们没在运动员序列里,没人鸟他,写这篇论文的时候只是为了毕业,导师们都听不懂他在“胡扯”什么。他一个愣头青就找到了爱因斯坦大爷,老爷子听懂了之后,他一步一跳地找到导师,赞成的导师们以微弱优势让这个小哥毕业。这个故事一直激励着我,面对不解,坚持,总会有人理解。)

乔治·汤姆(George Thomson)与克林頓·戴維森(Clinton Davisson),雷斯特·革末(Lester Germer)分别通过实验证明了德布罗意的猜想,
电子也可以像光子一样绕射

比赛已经结束,接力却从未终止。海森堡,霍金,和无数默默无闻的人还在接力。我们从一个看似简单的问题渐渐了解了世界,岂不乐哉?

正是这些伟大的接力员,为我们带来了一个又一个奇迹,把我们从温饱难求的古代带入了这个轻松美好的现在。

物理本身或许索然无味,但是我看来物理因为无趣,反而有趣。

那一行行文字,一组组方程,包含了每个时代最顶尖的智慧,更留给一个个普通人醍醐灌顶的欣喜,豁然开朗的感动!



附上文中名人轶事

据传说,恩培多克勒,作为古希腊哲学家,为向门徒证明自己的神性,纵身跳进火山。这老兄真是自己装的X,跪着也要装完。你以为故事完了?传说又说,这货的青铜凉鞋被火山喷了出来。火山也是傲娇。好多西方诗人还拿这事写诗。我开个脑洞,要是今天希腊或者意大利高考里出现诗词解析,请解释火山喷出佩恩多多克勒的鞋时的思想感情。

勒内·笛卡儿法国人,著名的哲学家,数学家,物理学家,罗马天主教徒。令无数人咬牙切齿的解析几何就是他发明的,看个图像把人眼镜都看瞎了,没事,他顺手研究了光鲜折射,设计了一个叫眼镜的东西。


他出生在一个低级贵族家里,父亲是雷恩的议员,想让他当律师,他大学学了法律,毕业之后,加入了荷兰的军队,空闲时间,空闲时间,空闲时间(这军队得有多闲)学习了数学。然后卖掉了老爸的资产,开始读万卷书,行万里路,旅居意大利,后定居荷兰。原因嘛,他是个哲学家,法国宗教不自由,他写的哲学著作都出版不了呀。

后来,瑞典女王,聘请他当老师呀,是女王,真正的女王。可惜的是,天命之年就永远离开了我们,但是永远活在女王陛下以及瑞典各族人民群众之中,但是瑞典国王必须是信教教徒,女王放弃了王位,转信落马天主教。(这是中文维基说的,详见https://zh.wikipedia.org/wiki/勒内·笛卡儿#.E7.90.90.E4.BA.8B)

这个文章写的,啧啧啧,好像这位同学似乎不只是给女同学讲题这么简单,毕竟工科狗的情商都发现这事蹊跷,我就记得他好像勾搭过这个女王,于是开始翻百度百科。

他是怎么搞定这个妹子的呢?大家别急,故事是这样的。

克里斯蒂娜是个人间人爱的大姑娘呀,我的脑海里不禁响起了

“每天她喝着山歌去学堂
直唱得老大爷
放下了他的大烟袋
直唱得小伙子
更加思念他姑娘
直唱得老大娘
放下针线听一段
直唱得大姑娘
眼泪汪汪啊
忘记了洗衣裳”
呀,不好意思,跑偏了,不是吉林,是瑞典,反正都老冷了。

言归正传,这个善良美丽的公主看见了一个乞丐,不求人施舍,还在专心研究数学。一聊起来,觉得这歌老头老厉害了,带回宫里,给我上课吧。这个乞丐理所当然的是笛卡尔呀,故事发展是立马约起来呀。引用一下原文吧,其实我很少直接引用的,但是这句话,必然会开启无数少女的少女心呀,前方高能,分战斗人员撤离,预计对单身狗造成成吨伤害。

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“两个人一起讨论数学问题,一起谈天说地,日久天长,两个人就这样沉浸在只属于他们两个人的数学世界和爱情世界里,很幸福,很快乐。”

你以为故事像韩剧一样,那我还写在这干哈呀。

让无数在学校偷偷谈恋的虐狗男女害怕的事情发生了,公主他爹知道了呀,国王说,滚犊子!国王还扣了笛卡尔写给公主所有的信件,整整十二封。后来第十三封国王看不懂,就找大臣们看,公务员们也看不懂。这可咋整呢,要是当年有知乎,事情就利索了,要是有微信,陌陌,tinder,down其实会更方便。国王没法儿了,把信给了公主。公主一看,信上就一行公式,r = a(1-sinθ),极坐标系里一画就是个心形呀。然后,笛卡尔去世了。


很明显,笛卡尔在女王克里斯蒂娜生日后为女王上课,每周三次,早上五点,在她又冷又潮的城堡里。不久后他们不喜欢对方变得很明显;她不喜欢他的機械論,他不尊重她对古希腊的敬仰。到1650年1月15日,笛卡尔之见了克里斯蒂娜四五次。2月1日,他很快的了感冒,并造成了呼吸道感染,并且在二月11日死亡。根据Chanut所说,他的死因是肺炎,但是根据Van Wullen医生所说,应是胸膜肺炎,Van Wullen医生并未被准许给他放学。“严寒的冬天看上去变的温和了,除了一月的后一半,据笛卡尔自己描述。笛卡尔有可能一语双关,不只是说天气,也在暗指学术氛围。


来源:王小猿(知乎)


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