測(cè)量“以太”速度之后——“邁莫實(shí)驗(yàn)”得到“零結(jié)果”

從17世紀(jì)中葉開始，人們從抽空玻璃罩內(nèi)仍能看到里面的物體的事實(shí)，認(rèn)為宇宙間存在一種未知的、傳播光的物質(zhì)一“以太”。

然而，兩個(gè)世紀(jì)過去了，人們依然沒能看到以太的影蹤，關(guān)于它的性質(zhì)也沒有定論。例如，無線電檢波器的發(fā)明者、晚年迷信傳靈術(shù)的英國物理學(xué)家洛奇就說，他已經(jīng)算出以太的密度為1012g／cm3。而有人又說以太沒有質(zhì)量，是“無重物質(zhì)”。

不過，當(dāng)時(shí)許多科學(xué)家都篤信以太的存在。例如，洛奇在1882年寫的《關(guān)于電的現(xiàn)代看法》一書中就說，以太究竟是什么，“我相信，不久就會(huì)得到解答。”

“解答”以太的最好辦法是實(shí)驗(yàn)。于是，美國物理學(xué)家邁克爾遜和美國化學(xué)家莫雷上陣了。1887年，他倆在克利夫蘭合作，用高達(dá)40億分之一的精度的儀器再次重做了“以太漂移實(shí)驗(yàn)”。但觀測(cè)了5天，仍然看不到“以太漂移”的任何跡象一以太漂移得到了“零結(jié)果”。這就是著名的“邁克爾遜一莫雷實(shí)驗(yàn)”。

以太漂移的零結(jié)果表明，以太根本就不存在一實(shí)驗(yàn)者得到了和初衷相反的結(jié)果。研究者得到和初衷相反的結(jié)果的現(xiàn)象，我們稱為“南轅北轍”(現(xiàn)象)。

“邁莫實(shí)驗(yàn)”的一個(gè)后果是，相對(duì)論在18年之后的1905年呱呱墜地。想來，愛因斯坦應(yīng)該感謝這次南轅北轍……

與懸賞者的愿望相反——“泊松亮點(diǎn)”用反對(duì)者命名

從17世紀(jì)中葉開始，科學(xué)界開始了光究竟是物質(zhì)還是波動(dòng)的爭論一著名的“微粒說”和“波動(dòng)說”之爭。

當(dāng)爭論持續(xù)到1818年的時(shí)候，法國科學(xué)院舉行了一次光學(xué)方面的懸賞征文活動(dòng)一想通過它，鼓勵(lì)用微粒說解釋光的衍射現(xiàn)象一它是光具有波動(dòng)性的證明，以取得微粒說的“決定性勝利”。

但出乎主辦者意料的是，當(dāng)時(shí)并不知名的、年僅30歲的法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家菲涅耳以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理，圓滿地解釋了光的偏振，并算出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好的衍射花樣。這使評(píng)委們大為驚訝。評(píng)委比奧嘆服菲涅耳的才能：“菲涅耳從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，嚴(yán)格地把所有衍射花樣、現(xiàn)象歸于統(tǒng)一不息，并用公式予以概括，從而永恒地確定了它們之間的相互關(guān)系。”

但是，當(dāng)評(píng)委泊松在用菲涅耳的方程推導(dǎo)圓盤形障礙物對(duì)光的衍射現(xiàn)象時(shí)，卻得到一個(gè)令人奇怪的結(jié)果：在盤后一定距離的屏幕上的影子的中心會(huì)出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)!泊松認(rèn)為這一結(jié)果是“荒謬”的：影子中心“應(yīng)”是最黑暗的地方，怎么會(huì)出現(xiàn)亮點(diǎn)呢?于是，他聲稱菲涅耳的理論已被自己的反證法駁倒，因而光的微粒說取得了“勝利”。

然而，法國天文學(xué)家兼物理學(xué)家阿拉戈的實(shí)驗(yàn)表明，確實(shí)在屏的圓形陰影中心出現(xiàn)了用菲涅耳理論算出的一個(gè)“精彩的”亮點(diǎn)一后來被稱為“阿拉戈斑”的亮點(diǎn)!

這個(gè)“亮點(diǎn)”轟動(dòng)了法國科學(xué)院，使菲涅耳榮獲這一屆科學(xué)獎(jiǎng)。但是，人們卻戲劇性地稱它為沿用至今的“泊松亮點(diǎn)”!

懸賞者法國科學(xué)院得也到了南轅北轍的結(jié)果：微粒說不能解釋光的衍射現(xiàn)象一衍射現(xiàn)象恰好是光具有波動(dòng)性的有力證據(jù)。

在“否定光子”的指導(dǎo)下——密立根、康普頓適得其反

為了解釋當(dāng)時(shí)物理學(xué)界迷惑不解的“光電效應(yīng)”，愛因斯坦在1905年提出了“光量子論”的觀點(diǎn)。1926年，美國化學(xué)家路易斯把光量子改名為“光子”。

許多科學(xué)家都懷疑光子的存在。例如美國的兩位物理學(xué)家密立根和康普頓。于是，他倆各自做起了實(shí)驗(yàn)。

密立根的實(shí)驗(yàn)水平不容置疑——他因于1910年精密測(cè)量電子電荷而獨(dú)享1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而，經(jīng)過10年(1906～1915)用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)愛因斯坦的“光電效應(yīng)方程”之后，結(jié)果和他的“一切希望相反”，“在1915年不得不斷言它的無歧義的實(shí)驗(yàn)證實(shí)”一得到的確存在光子的結(jié)論。

在經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)研究之后，康普頓于1922年發(fā)現(xiàn)了“康普頓效應(yīng)”。本來，這個(gè)效應(yīng)是“光子存在”的“判決性實(shí)驗(yàn)”，但他依然不肯相信光子論。不過，在經(jīng)過多方探索之后，他終于認(rèn)識(shí)到這個(gè)效應(yīng)只有用光子論才能解釋，只好承認(rèn)光子論是正確性的。他也因此獨(dú)享1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在密立根和康普頓的南轅北轍之后，更多的人接受了光子論。1925年，在美國和德國的兩組物理學(xué)家的分別實(shí)驗(yàn)之后，光子論已經(jīng)被科學(xué)界徹底承認(rèn)。

科學(xué)精神和人生哲理——“南轅北轍”現(xiàn)象的啟示

內(nèi)涵豐富的科學(xué)精神最核心的內(nèi)容是實(shí)事求是。所以，在科研中，應(yīng)徹底摒棄先入為主的“成見”。否則，就會(huì)像邁克爾遜和莫雷、上述法國科學(xué)院的那些科學(xué)家、密立根和康普頓那樣——“劉郎已恨蓬山遠(yuǎn)，更隔蓬山一萬重。”

科學(xué)精神的又一重要內(nèi)容，是尊重大自然的客觀規(guī)律，以及認(rèn)識(shí)這些客觀規(guī)律有時(shí)會(huì)披上“神秘的面紗”，從而不斷開拓創(chuàng)新?？陀^規(guī)律有時(shí)“法無定法”——有規(guī)律，但不一定是人們當(dāng)初沒有揭示它時(shí)猜想的那樣。所以，我們?cè)凇榜R蹄南去”的時(shí)候，不妨來一個(gè)“人北望”。舉例來說，當(dāng)初科學(xué)家們對(duì)“宇稱守恒定律”堅(jiān)信不疑。1953年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了難以解釋的現(xiàn)象——一些微觀粒子呈“偶宇稱態(tài)”，另一些微觀粒子呈“奇宇稱態(tài)”。于是，在1956年，楊振寧和李政道等就打破了宇稱守恒定律的“一統(tǒng)天下”，得到相反的宇稱不守恒的結(jié)論。

這類實(shí)例告訴我們，在得到某些新成果的時(shí)候，應(yīng)有“陸地在這里結(jié)束，海洋從這里開始”(鐫刻在葡萄牙陸地最南端羅卡角的巖石上的名言)的思想；絕不能認(rèn)為“科學(xué)大廈”已經(jīng)建成而戛然止步。用愛因斯坦的話來說，就是：“科學(xué)決不是也決不會(huì)是一本寫完了的書。每一次重大發(fā)現(xiàn)都帶來了新的問題?！?/p>

由“法無定法”，還引發(fā)我們對(duì)人生變化無常的思考。

當(dāng)年，由于哥倫布認(rèn)為他到達(dá)了“東方”的印度，所以那里的土著居民被他改了一個(gè)本應(yīng)和他們毫不相干的名字一印第安人(“印第安”是印度的“音譯”)。哥倫布至死也不知道，他到達(dá)的是“西土”。然而，就是這個(gè)“船舟西去人東望”，讓他揚(yáng)名千古……

但是，以“芝諾悖論”聞名于世的古希臘哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家芝諾，就沒有那么幸運(yùn)了。直到19世紀(jì)中葉，人們對(duì)古希臘科學(xué)家兼哲學(xué)家亞里士多德給芝諾悖論的批評(píng)，幾乎都深信不疑。到了19世紀(jì)末，人們才徹底指出了芝諾的謬誤的根源，給出了現(xiàn)代數(shù)學(xué)的哲學(xué)解決，也給了他應(yīng)有的高度評(píng)價(jià)。對(duì)此，英國哲學(xué)家兼數(shù)學(xué)家羅素感慨地說：“在這個(gè)變化無常的世界上，沒有什么比死后的聲譽(yù)更變化無常了。死后得不到應(yīng)有的評(píng)價(jià)的最顯眼的犧牲品莫過于芝諾。他雖然發(fā)明了4個(gè)無限微妙、無限深邃的悖論，但后世的大批哲學(xué)家卻說他只是一個(gè)聰明的騙子，而他的悖論不過是一些詭辯。遭到2000多年的連續(xù)批評(píng)之后，這些‘詭辯’才得以正名……”

[責(zé)任編輯 蒲暉]