《人類科學(xué)技術(shù)史-276》波動光學(xué)的勝利

波動光學(xué)的勝利

光的波動說自19世紀(jì)起得到復(fù)興。1800年，托瑪斯.楊(1733-1829年，英國）重新舉起光的波動論大旗，強(qiáng)調(diào)光與聲都是波的運(yùn)動。他詳細(xì)研究了聲波的迭加，指出由于迭加會形成強(qiáng)弱相間的空間分布，他稱這一現(xiàn)象叫"干涉"。次年，他提出光作為波也應(yīng)有特定的頻率和波長，并論述了兩束光相干涉的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上他設(shè)法通過實驗重現(xiàn)光的干涉現(xiàn)象。1807年，他在《自然哲學(xué)講義》一書中詳細(xì)描寫了著名的楊氏雙縫干涉實驗。但是楊仍舊承繼了惠更斯波動說的根本弱點，認(rèn)為光是縱波而不是橫波，因而他的理論不能戰(zhàn)勝光的微粒說，也沒有得到科學(xué)界的理解。

1808年，馬呂斯(1775-1812年，法國）在研究雙折射現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)了"光的偏振現(xiàn)象"。隨后又證明尋常光線和非尋常光線分別在兩個相互垂直的方向上偏振。他進(jìn)而研究了光在一般折射現(xiàn)象中的偏振，發(fā)現(xiàn)折射光的偏振和反射光的偏振是成相反分布的。馬呂斯是光的粒子說擁護(hù)者，他認(rèn)為這些事實擊中了光的縱波說的要害，一些擁護(hù)粒子說的人們也認(rèn)為這是對粒子說的"真理性的數(shù)學(xué)證明"。面對馬呂斯的挑戰(zhàn)，菲涅耳(1788-1827年，法國）和阿拉果(1786-1853年，法國）仔細(xì)地研究了光的偏振現(xiàn)象。1816年前后，他們發(fā)現(xiàn)兩束偏振光當(dāng)它們的偏振面平行時可以發(fā)生干涉，當(dāng)它們的偏振面互相垂直時不能發(fā)生干涉。1817年，托瑪斯.楊也領(lǐng)悟到如果放棄光的縱波理論而改為橫波理論，就可以解釋光的雙折射現(xiàn)象。其時菲涅耳已產(chǎn)生這一思想，他立即發(fā)表研究報告，用光的橫波理論解釋光的干涉定律、偏振面轉(zhuǎn)動理論、反射與折射理論。一般認(rèn)為這些工作是光的橫向振動理論的最終證明。但是這一理論并不能解釋光的橫向振動是如何產(chǎn)生的，因為按照機(jī)械波的彈性理論，只有密度較大的固體媒質(zhì)才能產(chǎn)生橫波，在稀薄的以太媒質(zhì)中不可能有橫波。

1818年，菲涅耳向法國科學(xué)院提交了競賽應(yīng)征論文。他以橫波理論解釋了光的偏振；用半波帶方法計算出圓孔與圓板衍射。評委中的著名學(xué)者泊松是粒子說的擁護(hù)者，他用菲涅耳的方法計算出在小圓盤衍射陰影的中央會有一亮斑出現(xiàn)，他認(rèn)為這一"荒謬"的結(jié)論足以駁倒波動論。菲涅耳和阿拉果立即用實驗證實在陰影的中央確實存在亮斑，這亮斑后來就叫泊松亮斑。自此，光的粒子說日漸衰落。菲涅耳被人們譽(yù)為"物理光學(xué)的締造者"。光的橫波理論引起了對機(jī)械以太媒質(zhì)的討論，例如泊松提出以太是一種類固體的物質(zhì)，柯西設(shè)想以太是一種易壓縮易滑動的物質(zhì)等，但是格林指出這些假設(shè)都是不穩(wěn)定的。

1845年，法拉弟發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)磁場中光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，證明光和電磁現(xiàn)象存在聯(lián)系。1856年，韋伯(1804-1891，德國）等人發(fā)現(xiàn)電荷的電磁單位和靜電單位的比值等于光速。1865年，麥克斯韋的電磁場理論證明電磁波以光速傳播，他立即斷言，"光和磁乃是同一實體的不同屬性的表現(xiàn)，光是一種按照電磁定律在場內(nèi)傳播的電磁擾動"。1868年，麥克斯韋發(fā)表了《關(guān)于光的電磁理論》一文，他將電、磁和光結(jié)合起來，創(chuàng)立了光的電磁波學(xué)說。傳播光的電磁場當(dāng)時被理解成一種"電磁以太"，而以往的"機(jī)械以太"假說逐漸被人們拋棄。

光速的測量是具有特殊的意義的。伽利略最早提出測量光速的實驗方案，他認(rèn)為光以有限大小的速度傳播。1676年，天文學(xué)家羅默(1644-1710年，丹麥）和惠更斯利用木星衛(wèi)星食周期的不規(guī)則性進(jìn)行光速測量，羅默認(rèn)為這一現(xiàn)象是因為光穿過地球軌道要經(jīng)過22分鐘，惠更斯利用這一數(shù)據(jù)首次計算出光速為2×10↑8米／秒。

1849年，菲索(1819-1896年，法國）首先開創(chuàng)在地面條件下測量光速，他設(shè)計了一個轉(zhuǎn)動的齒輪裝置，當(dāng)光線從齒輪的凹部通過并聚焦在一只平面鏡上，然后光線經(jīng)反射再一次通過齒輪的凹部射入觀察者的眼中。如果返回的光線恰好被一個轉(zhuǎn)動著的齒擋住，觀察者就看下見光線，此時齒輪的轉(zhuǎn)速若增加一倍，光線又能穿過下一個齒縫，使觀察者重新看見。這樣光在往返一次所用的時間就可以利用轉(zhuǎn)速和輪的齒數(shù)計算出來，從而可以計算出光速。他在實驗時使觀察者與平面鏡相距8.633公里，齒輪轉(zhuǎn)速為12.6轉(zhuǎn)／秒，齒數(shù)為720，測得光速為313，300公里／秒。

1850年，傅科(1819-1868年，法國）對菲索的裝置作了改進(jìn)，他用高速轉(zhuǎn)動的8角棱鏡代替了轉(zhuǎn)動的齒輪，由棱鏡的轉(zhuǎn)速和光線傳播的路程可求得光速，他的結(jié)果是299，7960±4(公里／秒）。后來傅科在裝置里充入水，測出了光在水中傳播的速度，得到的光速僅是空氣中光速的3／4，恰好等于水對空氣的折射率。這一事實也證明惠更斯關(guān)于光的波動說的論斷是正確的。

19世紀(jì)后半期，光速的測量往往用來證實以太的漂移。人們認(rèn)為既然光和電磁波是靠以太傳播的，那么在不同坐標(biāo)系和不同方向上測到的光速應(yīng)是不同的。這些實驗工作在19世紀(jì)末導(dǎo)致了光速不變的結(jié)論，從而否定了"以太漂移"假說。