"無名天地之始;有名萬物之母。故常無欲以觀其妙;常有欲以觀其徼。此兩者同出而異名同謂之玄。玄之又玄衆妙之門。"
── 老子
这是赛先生新专栏【众妙之门】的第一篇文章。 这一专栏主要是想介绍自然之理物性之理。展示自然大观的丰富和人类智慧的深刻,以及它们之间精彩的对决。由此我们可以欣赏人类文明发展的脉络。
光是什么?
这似乎是一个很简单的问题,然而历史上,它却开启了人类的智慧和视野。对光认识的演化,反映了人类文明的进程。
对于光是什么这个问题,相信很多人都会回答:光是太阳发出的东西。但这并没回答我们真正想要问的问题。我们真正想要了解的是光本身究竟是什么?
图1三位历史上曾经对光的理解做出巨大贡献的物理学家。
在较早期时代,大科学家牛顿认为光是一束粒子。为什么会这样说?因为光以直线行走,而且我们可以将光束分成很多部分。你可以阻挡部分的光,而剩余的部分会不受影响的通过。另一些科学家,如虎克 (Hooke), 惠更斯(Huygens)则认为光是波,而非粒子。光是波这种说法有点儿奇怪,似乎采用了一个不太自然的角度来看光。
这两种理论哪一个才是正确的呢?也就是说,那一个理论能够圆满解释光的现象?
折射是光的一个基本现象。当光线经过一个媒介时,例如玻璃,光线前进的方向会弯曲,更垂直于玻璃的表面(见图2)。我们如何解释光的折射现象呢?根据牛顿的粒子理论,当光线照射到界面上,光的粒子会感受到有一股力将它们拉向媒介内。这些粒子前进的方向便会改变,因而造成光的折曲。当光线离开玻璃时,粒子会感受到相反的力。所以,光线会折向另一面,这就是粒子理论对折射的解释(见图3左)。但按照虎克和惠更斯波动理论,光就是波。当波照射在界面上,波会在媒体内会减慢速度,使波面以至光线弯曲,这就是波理论对折射现象的解释。
图2。光从玻璃片经过时折射现象的实验图景
图3。 光折射现象的粒子和波理论的解释示意图
请注意,这两种理论好像有很不同的结论。在粒子理论中,光在媒介里的速度比较快;但在波动理论中,光在媒介里的速度却比较慢。由此可见,这两个理论会有很不同的结果和预测。究竟哪一个才是对的呢?在科学界里,我们会利用实验来作判断。你可以提出不同的理论,得到不同的结论,但这些都必须通过实验来验证。实验发现,在媒介内光的速度会比较慢。这告诉我们波动理论胜出。虽然用波动理论来看光不是一件很自然的事,但这理论却反映了真实的光,即光就是波。
波动理论除了能够解释光在媒介内会减慢速度外,还有更引人注目让人吃惊的预测。当光是波时,光就会有一种所谓的干涉现象。当你将两个波迭加时,如果波峰对着波峰、波谷对着波谷,便会形式一个较强的波(见图4a)。但如果你将两波调校至波峰对着波谷而波谷对着波峰时,两波合起来便会互相抵消,什么都没有了(见图4b)。这就是波的一个非常特征的性质。在光的粒子理论里,就没有这个干涉现象。
图4 光干涉现象的示意图
在光的粒子理论中,当我们将两部分粒子放在一起时,光的强度只会增加;但在光的波动理论中,当我们将两个波同样地放在一起,光的强度可能会增加或减少,取决于它们如何排列(见图5)。
图5 光的相长干涉和相消干涉示意图。
人们可以透过牛顿环这个实验,来看到光的干涉现象,进一步确定了光的波动性质。在这个实验里,我们把凸玻璃置于另一块平面镜上,这样它们之间就有细小的空气层(见图6)。当光线照射时,光线会分别被玻璃面和镜面反射。如果两光线能够波峰对着波峰,波谷对着波谷排列的话,相长干涉便会发生。但如果光线照射到另一处位置时,波谷对着波峰,则会发生相消干涉。在凸玻璃和镜的中央,凸玻璃的底面和镜的上面互相紧贴着,这时光线是同相的。当光线远离中央时,空气层就会越来越大。最终,反射光线会发生相消干涉(见图7)。这就解释了为何会首先看见暗带。当距离越来越大时,两波会再次排列成波峰对着波峰,你就会看到亮带,如此类推。这个实验给出光就是波的证据。
图6 观察牛顿环的实验装置。
图7 用绿色光拍到的牛顿环的实验图景。
以上实验采用的是绿色光,但假如你改用白色光,你仍然可以看见环带,而且还有颜色(见图8)。当你仔细地看亮环的外缘时,你会发现,颜色是红色和黄色,为何会是这样呢?这原因就是白光中拥有所有颜色的光。对于某些颜色的光,第一个暗环会较为靠近中央。但对于另一些颜色的光,环带会较远离中央。对于蓝光而言,相消干涉首先发生,蓝光暗环较为靠近中央。这时,我们看不见蓝光,我们所能看见的就是红光和黄光。所以,中央亮斑外缘是红色和黄色。红光和黄光接着发生相消干涉,而形成暗环。所以,亮环的外缘是红色和黄色。
图8 用白光拍到的牛顿环的实验图景。
这个实验不仅解释了光的干涉和折射现象,更让我们理解究竟什么是颜色。其实,我们眼睛所看见不同的颜色出自于不同的波长(见图9)。牛顿环的实验告诉我们,蓝光的暗环比红光的暗环较靠中心。所以波长较短的是蓝光,波长较长的是红光。光的不同颜色来源于其不同的波长,这不是课本种强加给我们的教条,而是对不同颜色光做干涉实验得出来的结果。以后当我们在课本中看到类似的论述时,我们应该多想想这些论述是怎么得出来的。他是作者的凭空臆想还是有实验支持?
从颜色到干涉,光的波动理论,对很多光现象,都给出了圆满的解释。但光波动理论,有一个重大缺陷:如果光是波,那末,光波到底是由什么东西的振动产生的呢?
图9 不同颜色的光具有不同的波长。
光的传播媒介和偏振
由于光能穿过真空,这使我们很难理解为什么光是波。如果你问老师: 什么是真空?他会回答:真空就是没有任何东西。假如真空真是什么都没有,那么真空中的光怎么可能是波呢?反之,将光看为粒子会较容易理解。因为粒子是一些我们放在真空里的东西。因此,当粒子穿过真空,确实有一些东西出现,这就是光了。
可是,实验却告诉我们,光并不是粒子,而是波。假如你真的相信实验,真的相信光是波,这就意谓着真空不是什么都没有。因为波必须要由媒介来承载,波是媒介的振动。所以将真空想象为海洋会比较恰当,而我们就好像海洋里的鱼。由于我们生活在海洋里面,我们就自然不会感到水的存在。若果用这个海洋图像,就会容易明白光的波性。海洋里的水的振动会产生波,这就是光波了(见图10)。至于海洋里的气泡、鱼和其他的东西那就是物质。这种可以承载光波的媒介,我们称之为以太(ether)。引入以太这种媒介之后,我们得到一个理解光波很好的图像,一个完美的理论。
图10 海洋里的光波图像。
但是,光的故事并不如此简单。光波是一种有特殊内部结构的波。它其实并不能被看成是液体中的波。我们是如何发现光波的内部结构呢?有种特别的晶体,它们会有一种现象称为 “双折射" 。当你将晶体放在报纸上,你可以看见上面的字有双像的效果(见图11)。人们对于这种现象一度感到非常疑惑,百思不得其解。其实,在人们肯定光是波之前,牛顿曾试图用粒子理论来理解双折射现象。他假设有两种光粒子,所以它们有不同的折射。
图11 光的双折射或双像现象
我们也可以利用两种波来解释双折射现象。光不只是波,它还是很特别的波。由于波是一种振动,那么波的不同振动方向就代表不同的波。如图12所示,向右传播光有两种振动:上下振动和前后振动,人们对这 “两种不同的振动 ”或 “两种不同方向的振动”,以一个科学名词 -- 偏振来指称。双折射晶体对这两种偏振有不同的影响,导致其不同的速度。由于这两种偏振有不同的速度,它们的折射弯曲的程度亦不同。因此,双折射或双像揭示了光的另一种秘密:光不只是波,而是带有偏振的波。我们说有两种光,即有两种偏振方向的光。
图12 光波中的两种振动方向:垂直振动和水平振动。
此外,偏振也可以透过偏振分光镜来检测。天然的光包含两种方向的偏振。偏振分光镜只准许某一偏振的光穿过而阻挡其他方向的偏振的光。如图13所示,当带有随机偏振的天然光通过偏振分光镜,所通过的光线,只会在某一方向振动。如果你加第二块偏振分光镜并将其旋转90度,所有的光就会完全被阻挡。由于振动方向垂直于传播方向,因此,这种偏振就称为横向偏振。这种波就称为横波。LCD屏幕所发出的光也是偏振的。你透过偏振片来看LCD屏幕就能发现这一点。其实LCD正是利用光的偏振性质来调控明暗显示图像。
图13 利用偏振分光镜检测光的偏振性质的实验示意图。
图14 在液体里,粒子是随机分布的。