出祺然

物理學(xué)家與沖浪愛(ài)好者有一個(gè)共同特點(diǎn)，那就是他們都認(rèn)為波很有趣。除了樂(lè)趣之外，對(duì)于物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，波還是自然界的一個(gè)最為重要的物理現(xiàn)象。從熱、光、廣播和電視，再到音樂(lè)、地震和全息圖，波在很多物理過(guò)程中扮演著重要的角色。許多科學(xué)中最偉大的成就，都是關(guān)于波的新發(fā)現(xiàn)或新見(jiàn)解。

下面，我們列舉九個(gè)此類(lèi)的發(fā)現(xiàn)，來(lái)體驗(yàn)一下波的無(wú)窮魅力。

1、托馬斯·楊：光波

在18世紀(jì)，科學(xué)家對(duì)光的本質(zhì)是什么而爭(zhēng)論不休。艾薩克·牛頓曾強(qiáng)烈主張光是由非常小的粒子組成。牛頓同時(shí)代的荷蘭物理學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯強(qiáng)烈反對(duì)牛頓的觀點(diǎn)，認(rèn)為光是以波的方式傳播的。

一個(gè)世紀(jì)后，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊解決了關(guān)于光的本質(zhì)的長(zhǎng)期爭(zhēng)論。他通過(guò)一系列巧妙的實(shí)驗(yàn)，用強(qiáng)有力的證據(jù)證明了光是一種波。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，楊在一張厚厚的紙上戳出兩個(gè)小孔，發(fā)現(xiàn)光線穿過(guò)兩個(gè)小孔后，在紙后的另一張紙的表面上形成了一系列明、暗交替的條紋。之所以會(huì)這樣，是因?yàn)楣獯┻^(guò)兩個(gè)孔后會(huì)像水波一樣發(fā)生干涉現(xiàn)象干擾。如果光是由粒子構(gòu)成的話(huà)，那么只會(huì)形成兩個(gè)亮斑。但是，楊沒(méi)能在數(shù)學(xué)上準(zhǔn)確地描述光波，許多牛頓支持者仍拒絕接受楊的觀點(diǎn)。

但很快，法國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W古斯丁·讓·菲涅耳就詳細(xì)地計(jì)算了光如何以波的形式進(jìn)行傳播。此外，按照牛頓的理論，光在水與空氣界面發(fā)生折射，是因?yàn)楣饬Ｗ邮艿剿粋?cè)的吸引。這意味著，光粒子在水中的速度必須更快。但在1850年，法國(guó)物理學(xué)家萊昂·傅科測(cè)出，光在水中傳播的速度遠(yuǎn)低于其在空氣中的速度。于是，即使是最堅(jiān)定的牛頓支持者也不得不投降。如果牛頓那時(shí)還活著的話(huà)，他也肯定會(huì)承認(rèn)光是一種波。

不過(guò)在很久以后，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，光其實(shí)可以由一種被稱(chēng)為光子的粒子組成。最終，物理學(xué)家意識(shí)到，光既具有波動(dòng)的特性，又具有粒子的特性，這就是所謂的波粒二象性。

2、邁克爾遜和莫理：沒(méi)有以太

聲波的傳遞需要借助于空氣，水波的傳播借助于水等。受經(jīng)典力學(xué)思想影響，科學(xué)家們便假想宇宙到處都存在著一種稱(chēng)之為以太的物質(zhì)，光的傳播就是借助于這種物質(zhì)的。

1887年，美國(guó)科學(xué)家阿爾伯特·邁克耳孫與愛(ài)德華·莫雷設(shè)計(jì)了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，來(lái)探測(cè)以太。因?yàn)榈厍蛞悦棵爰s30千米的速度繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，必須會(huì)遇到每秒約30千米的“以太風(fēng)”，這會(huì)對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。光在地球運(yùn)動(dòng)方向上的傳播速度應(yīng)與直角方向上的傳播速度不同。但是，他們的沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何以太效應(yīng)。他們最初認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)本身可能存在缺陷。但在后來(lái)，愛(ài)因斯坦提出，其實(shí)根本就沒(méi)有以太。

3、詹姆斯·克拉克·麥克斯韋：電磁波

英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋死于1879年，是愛(ài)因斯坦出生的那一年，所以不知道沒(méi)有以太。當(dāng)時(shí)的他認(rèn)為，電和磁是某種類(lèi)似以太的介質(zhì)中的力。

麥克斯韋意識(shí)到，在這種介質(zhì)中，一個(gè)振蕩中的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生振蕩的磁場(chǎng)，而一個(gè)振蕩中的磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生振蕩的電場(chǎng)，這些連續(xù)不斷同相振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同地形成了電磁波。他根據(jù)自己提出的描述電磁現(xiàn)象的方程組（麥克斯韋方程組），計(jì)算電磁波的速度可達(dá)到每秒3.1億米，與那時(shí)測(cè)得光速（每秒2.98億米到每秒3.15億米）非常接近。麥克斯韋認(rèn)為，世界上沒(méi)有巧合的事情，所以他就得出了結(jié)論，認(rèn)為光就是一種電磁波。

麥克斯韋在1864年寫(xiě)道：“我們似乎有充分的理由得出這樣的結(jié)論，光本身（包括熱輻射和其他輻射，如果有的話(huà)）是以波的形式在在電磁場(chǎng)中傳播的電磁擾動(dòng)。”隨后，人們發(fā)現(xiàn)的確有很多其他的電磁波，包括了伽馬輻射、X射線、無(wú)線電波等。

4、海因里?！ず掌潱簾o(wú)線電波

沒(méi)有多少人在一開(kāi)始就認(rèn)真對(duì)待麥克斯韋。然而，一些物理學(xué)家很早便開(kāi)始追隨麥克斯韋的步伐，并完善了他的理論。德國(guó)物理學(xué)家海因里希·赫茲就對(duì)麥克斯韋的理論信心十足，于是他在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在1887年，他成功地制造并檢測(cè)到了無(wú)線電波。

他的成功使得麥克斯韋的理論贏得了更多的尊重。現(xiàn)在，他所發(fā)現(xiàn)的無(wú)線電波，被應(yīng)用在無(wú)線通訊、廣播、雷達(dá)、通訊衛(wèi)星、導(dǎo)航系統(tǒng)、電腦網(wǎng)絡(luò)等方面。雖然赫茲死于1894年，遠(yuǎn)在他的發(fā)現(xiàn)被廣泛應(yīng)用之前，但電磁波頻率的國(guó)際單位赫茲就是以他的名字命名的。

5、約翰·米歇爾：地震波

1755年，葡萄牙首都里斯本發(fā)生了大地震，這是人類(lèi)史上破壞性最大和死傷人數(shù)最多的地震之一，死亡人數(shù)估計(jì)為6萬(wàn)至10萬(wàn)。同年，英國(guó)地質(zhì)學(xué)家和天文學(xué)家約翰·米歇爾開(kāi)始調(diào)查引發(fā)里斯本大地震的原因。1760年，他得出結(jié)論，認(rèn)為“地下火災(zāi)”是引發(fā)地震的罪魁禍?zhǔn)祝⒅赋龌鹕健叭紵纳矫}”——通常出現(xiàn)在地震頻繁的地區(qū)。

米歇爾還首先提出，地球在地震時(shí)的活動(dòng)部分是以波的形式傳播的。他還引用了地震的目擊者描述，說(shuō)地面“就像海浪中的大海一樣”。而在后來(lái)，地震學(xué)家對(duì)震動(dòng)地球的地震波有了更精確的了解，而且通過(guò)它們還能借此推斷地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

6、威廉·倫琴：X射線

赫茲發(fā)現(xiàn)的無(wú)線電波，是麥克斯韋方程中所預(yù)示的長(zhǎng)波電磁波。而在隨后的1895年，德國(guó)物理學(xué)家威廉·倫琴偶然地發(fā)現(xiàn)了一種短波電磁波。

當(dāng)倫琴讓陰極射線（電子束）穿過(guò)玻璃管時(shí)，出現(xiàn)了一種未知類(lèi)型的神秘射線，因此它被倫琴命名為X射線。倫琴認(rèn)為，他發(fā)現(xiàn)的射線，可能是許多物理學(xué)家所希望找到的一種新的電磁波。他還發(fā)現(xiàn)，這種新的射線與光線類(lèi)似，能產(chǎn)生陰影。而X射線會(huì)陰影，最終成為了一項(xiàng)革命性的醫(yī)學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。

X射線除了能用于醫(yī)學(xué)成像診斷以外，它最終還成為了天文學(xué)、生物學(xué)和其他科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究工具。此外，X射線的發(fā)現(xiàn)還打破了那時(shí)候許多物理學(xué)家的自滿(mǎn)情緒，因?yàn)樗麄冞^(guò)去曾認(rèn)為，他們基本上已經(jīng)把自然界的一切都弄清楚了。順便說(shuō)一下，X射線不是波長(zhǎng)最短的電磁波，伽馬射線的波長(zhǎng)比它的更短。

7、路易·德布羅意：物質(zhì)波

20世紀(jì)20年代初，法國(guó)物理學(xué)家路易·德布羅意根據(jù)類(lèi)比的方法，把光的波粒二象性推廣到了所有的粒子身上。他提出了物質(zhì)波的假設(shè)，認(rèn)為每一個(gè)微觀粒子也具有波動(dòng)性，即和光一樣，也具有波粒二象性。德布羅意最終把他的觀點(diǎn)寫(xiě)進(jìn)了他的博士論文里。（我刊2007年10期視點(diǎn)文章《地球突然消失》就詳細(xì)介紹了德布羅意波。）

這可能有點(diǎn)古怪，但愛(ài)因斯坦讀完德布羅意的論文后，認(rèn)為這是有道理的。1927年，美國(guó)物理學(xué)家克林頓·戴維孫和雷斯特·革末讓100電子伏的電子束穿過(guò)鎳單晶表面時(shí)，觀測(cè)到了電子的衍射現(xiàn)象。而衍射是波遇到障礙物時(shí)偏離原來(lái)直線傳播的物理現(xiàn)象，所以他們的實(shí)驗(yàn)表明，電子也具有波動(dòng)性。幾乎與此同時(shí)，英國(guó)物理學(xué)家喬治·湯姆森用2萬(wàn)電子束穿過(guò)多晶薄膜做實(shí)驗(yàn)時(shí)，也觀察到了電子衍射現(xiàn)象。

德布羅意于1929年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。隨后，戴維孫與湯姆森也分享了1937年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。有意思的是，湯姆森的父親約瑟夫·湯姆孫，還贏得過(guò)1906年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)理由是他發(fā)現(xiàn)了電子。而20世紀(jì)30年代，德國(guó)物理學(xué)家恩斯特·魯斯卡因還利用電子的波動(dòng)行為設(shè)計(jì)出了電子顯微鏡，并因此獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

8、馬克斯·玻恩：物質(zhì)波

是概率波

描述機(jī)械波的波動(dòng)方程可以由牛頓力學(xué)方程給出，描述電磁波的波動(dòng)方程就是麥克斯韋方程組。那么，描述物質(zhì)波的波動(dòng)方程會(huì)是什么樣的？

德布羅意的理論提出來(lái)之后，許多物理學(xué)家開(kāi)始試圖尋找物質(zhì)波的波動(dòng)方程。在1926年，奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤找到了這種波動(dòng)方程，它可以用來(lái)描述粒子的狀態(tài)是如何變化的，并以此正確地描述了氫原子中的電子行為。他的方程隨后被命名為薛定諤方程，并成為了量子力學(xué)種基礎(chǔ)方程之一。

電磁波是電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間交替波動(dòng)，那么物質(zhì)波代表著什么實(shí)際的物理量在波動(dòng)呢？我們得看看薛定諤方程是怎么描述物質(zhì)波的。

薛定諤方程中，用一個(gè)叫“波函數(shù)”的量來(lái)描述物質(zhì)波的波動(dòng)性，但最開(kāi)始時(shí)，沒(méi)人知道波函數(shù)有著什么物理意義。沒(méi)過(guò)多久，德國(guó)的物理學(xué)家、愛(ài)因斯坦的好朋友馬克斯·玻恩發(fā)現(xiàn)，波函數(shù)的絕對(duì)值的平方能給出某個(gè)時(shí)間、某個(gè)位置上找到粒子的概率。所以，他認(rèn)為物質(zhì)波既不同于機(jī)械波，也不同于電磁波，是一種體現(xiàn)粒子運(yùn)動(dòng)具有不確定性特點(diǎn)的概率波。

但是，德布羅意、薛定諤與愛(ài)因斯坦都不贊同玻恩的觀點(diǎn)。德布羅意還表示，他從一開(kāi)始就認(rèn)為物質(zhì)波是一種客觀存在的波。直到今天，物理學(xué)家仍對(duì)波函數(shù)的真實(shí)物理意義進(jìn)行著激烈的辯論。

9、LIGO：引力波

愛(ài)因斯坦完成他的廣義相對(duì)論之后，他就意識(shí)到存在引力波的可能性——時(shí)空自身振動(dòng)產(chǎn)生的一種漣漪。他可能沒(méi)有想到，在一個(gè)多世紀(jì)后，物理學(xué)家花費(fèi)了10多億美元，竟然能夠探測(cè)到這種時(shí)空漣漪。2015年9月，分別美國(guó)路易斯安那州和華盛頓州的兩個(gè)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO），就首次觀測(cè)到了一對(duì)黑洞合并時(shí)產(chǎn)的引力波。

這無(wú)疑是科學(xué)史上最重要的發(fā)現(xiàn)之一。因?yàn)橐Σㄊ菚r(shí)空本身的漣漪，幾乎可以穿過(guò)宇宙任何區(qū)域，所以天文學(xué)者可以用它觀測(cè)到其他傳統(tǒng)方法無(wú)法探測(cè)到的天文學(xué)事件，比如觀測(cè)超新星的核心，或者大爆炸的最初幾分之一秒。所以說(shuō)，引力波為我們了解宇宙開(kāi)啟了一扇新的窗戶(hù)。