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跨越了四百年的疑惑和争执(3)

(2018-03-24 11:01:53) 下一个

(对外在世界的认知 之十一)

在托马斯杨通过双缝实验确认了光的波动属性后,他的同族晚辈麦克斯韦尔(Maxwell)很快又在数学理论上进一步完善了对光的波属理论的定义。麦克斯韦尔发现光有电和磁的两重性特点,磁的波动形式是上下跳动,电的波动形式是左右摇摆,但是,它们都有明显的幅度,该高的时候就是波峰,该低的时候就会有波谷。光在传播时是磁和电在两个维度上的波动像辫子一样编在一起,成一条直线前行。1861年,麦克斯韦尔用数学等式描述了这两种波形结合在一起的样子。至此,在明确的实验展示和严谨的数学支撑下,光的波动说俨然成为理论界的共识,争论之声渐渐散去。

 

十九世纪末到二十世纪初的人们,对宇宙太空的认识不像我们现在知道的这样。那时的科学认为太空中密布一种介质,一种具有流动性的介质。这也是根据当时的认知,通过逻辑推导出来的结论。这个推论的前提是因为光是波,而波只有在介质中才能涌动传播,就像水里的波一样,没有流动性的东西,你不能让他流动,这是自古希腊阿基米德的时候就被想清楚的道理。所以,如果太空中没有那种可流动的介质,光是怎么从太阳传到地球上来的呢?于是,那时的科学家把这种假想的可流动的介质叫“以太”(Ether)。在inertnet 互联网发明之前,曾经流行过的一种计算机局域网Ethernet的命名就是来源于此。

 

到了1905年秋天,当时欧洲最具权威的学术期刊,德国《物理年报》的九月号上,刊登了一篇名为《关于光的产生和转换的探索及观点》的论文,文章作者署名,爱因斯坦,这是一个学术界从来没有听说过的名字。至此,大幕拉开,一个专利局小职员开启了他挑战历史经典的绝世传奇。很显然,爱因斯坦是有备而来。在这篇文章发表之前的同年五月,他曾写信给自己的朋友说,即将登出的有关光的属性的文章,会是“非常地具有革命性”,这个经过深思熟虑的“假设”代表了一种对已经奠定的传统的锐利冲击。

 

根据爱因斯坦的想法,把一块金属锌的盘片放入真空管中,然后用紫外线照射,能得到什么呢?能得到一种电的流动。这是由于光激活了理论中讲到的被称为电子的粒子,它从原子中松动出来(当然,这里的前提是你要相信原子和电子的存在,这是接下来又一个爱因斯坦使人确信了的事情)。如果光是波,按那时候的理论,越强的光照射到金属片的表面,就会致使越多的电子释放出来,致使越多的能量被这些跑出来的电子携带;换句话说,电的频率就会越高。实际上,电子的数量的确是随着光强度而升高,但电频率却没有随之升高。为什么呢,爱因斯坦在此借用了普朗克的能量模块观点来说明道理。

 

普郎克定义了光能量的输出单位(quanta)是极小不连续的小砖块,是没有实际意义的小怪物。爱因斯坦不这么看,他说,光能量的单位quanta贮留在空间的某一点,不可分地移动着,只能作为一个整体被生成或被吸收。爱因斯坦视这些小单位quanta既是粒子又是波动,即能像波那样振动的粒子。他赋予这些小模块同时具有能量和物质的属性,这就是后来被称作是photon光子的东西。所以,这里讲出来的道理是说,只有当光以粒子而不是波的身份有所作为时,它才能产生电流。

 

爱因斯坦这样的想法,在当时的物理学界当然算是离经叛道,这使得很多富有声望的人物站出来反驳他的观点。比如,后来得过诺贝尔奖的物理学家,发现过晶体中X光衍射现象的劳厄(Laue)就跟爱因斯坦为此打过多年笔墨官司。就这样,在惊异质疑争论纷纷扰扰走了十多年的时间之后,美国人密利坎终于通过实验证实了光电效应的说法。这使得爱因斯坦凭借他第一篇发表出来的论文中的一段不长的论述,获得了1921年诺贝尔物理奖,而密利坎自己也因为此项功劳获得1923年度的同名奖项。

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阅读 ()评论 (25)
评论
J_man 回复 悄悄话 回复楼主和CNG
关于宇宙时空网络,可以参考2004年PBC的纪录片
The Fabric of the Cosmos - Full Documentary (Brian Greene) - YouTube
我现在试图用这张网解释一切,已经自圆其说了引力,时间等概念,还差电磁力部分。
有部分解释在这里wenxuecityDOTcom/blog/201802/57982/946.html
silverbug 回复 悄悄话 楼下网友好像说的是现在比较流行的brane和string theory学说。 我们的宇宙真太复杂了,不过还挺好玩。
cng 回复 悄悄话 回复 'J_man' 的评论 : 部分赞成你的观点。空间是空的,其实也不是空的。广义相对论指出,引力造成时空的弯曲,而光顺着这些看不见的直的弯的脉络轨道走。
从人的常识看,能够被扭曲变形的,必然是有形有质的,就是以太。只不过,它不能用迈克尔迅实验发现而已。
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 '泥中隐士' 的评论 : 我还真没有过这种经历。如果现实真是这样,会不会是由于,在一般的空旷环境下,比如到处都是草木庄稼的地方,声音在空气中传播,撞到对面的物体波会回返,对面的草木不如水面平整规则,所以反转回来的波也很乱,不同的峰和谷的叠抵消使得进入耳膜的声波不那么单一清晰了。可能是这样吧。呵呵,瞎想的。
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 '泥中隐士' 的评论 : 光电效应好像是粒子属性的描述更直接吧?共振是不是属于波的叠加了,那是更偏向光的波属性了,好像和爱因斯坦的初衷不大相符。我也不是学理论物理的,不太知道细节。相对论主要是一些原始定义的重新设置,才带来对宇宙描述的新境界。和maxwell方程的改动无关。我后面会说一说这方面的事情。
另外,半导体确是和QM有关,但具体是怎么回事,我的知识有限,说不清楚。很多时候,我们说相信科学,其实就是相信顶尖科学圈子里的人的相互论证和争辩,以及他们初始的假设,立论和方法复合科学基础逻辑。推论过程真不是人人都有精力有知识能通晓的,所以,了解思路相信结论是个权衡之后的不得已的选择。
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 '四姑娘山' 的评论 : 始于这个感觉,不过是不是最深层的构造都是相通的呢?
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 'J_man' 的评论 : 谢谢您的留言。赞叹您的想象力丰富,不过这个思路我是第一次听说,直觉上感到和大爆炸理论有些不符,不过大爆炸也未必一定就是真理。
泥中隐士 回复 悄悄话 有个问题请教一下。去水库钓鱼没有风浪的时候很远的地方人说话都能听见。不晓得声波是不是从水里传过来的还是水面反射起了什么作用。
泥中隐士 回复 悄悄话 听人说过光电效应也可以用共振现象来加以解释,感觉那样更靠谱。另外麦克斯韦方程也不是说一定不能在什么地方改一下后就不需要把时间和空间绑在一起了,相对论就只能作为一????数学工具而不是作为物理理论让人将信将疑了。
当然爱因斯坦敢想敢做有值得称道的地方。
(本人不那么内行的观点。不清楚现代电子电讯技术到底在多大程度上得益于二十世纪所发展的物理理论。据说量子理论对三极管,半导体的发明发展有影响。)
四姑娘山 回复 悄悄话 真理太多,追求不过来,追不上啊
J_man 回复 悄悄话 看得出楼主是个追求真理,善于思考,逻辑思维强的人。
简单谈谈我对此文的看法:我一直认为,抛弃Ether是个错误。真空中没有物质,但是有张网。
Ether是真实存在的,它就是the fabric of the universe.
我对光子的理解是,光子是一根宇宙纤维中一个跃动的波峰,简单的比喻就是向上甩一下一根长的绳子,就会出现一个波峰,顺着绳子向前进,再甩一次,又出现一个。说它是quanta,也不矛盾。
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 'Luumia' 的评论 : 谢谢卢米呀的到访。
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 'silverbug' 的评论 : 呵呵,还得用老毛的话自勉,一万年太久,要只争朝夕。
爱因斯坦的确是站在很多前世天才们的肩膀上。
Luumia 回复 悄悄话 回复 'cng' 的评论 :
先赞山人好文!
昨天看到一篇讲骆驼的文章:双峰驼与单峰驼本来生活在不同的地域。因为人类的贸易,它们碰面了,并且诞生了后代。请问后代有几个驼峰? — 1.5 个! 人类思维的“想当然”这儿却又是对的。
silverbug 回复 悄悄话 有人问爱因斯坦:您是不是站在牛顿的肩膀上? 爱因斯坦回答说: 不完全是,我正站在麦克斯韦尔肩膀上。 山人的速度飞快,一个月里跨越四百年。
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 '土豆-禾苗' 的评论 : 谢谢土豆来访,主要是想让自己对未知有个正确的态度,而不是迷茫地做精神上的奴仆。
土豆-禾苗 回复 悄悄话 很佩服你的投入,还有越来越多的跟读者,:))
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 '风水纵横' 的评论 : 这些懂不懂不要紧,这些是前因的铺垫,最后的几篇是真正希望和大家分享的思考。到时候,风水过来说说想法哈。
风水纵横 回复 悄悄话 尽管不懂但依然充满兴趣与好奇。
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 'cng' 的评论 : 你写的那篇讲这个故事的文章我看过,很有意思。好像自然界里面万物都遵循的基本准则,deep structure 就是很简单的东西。不管是生物的延传还是粒子的结合,都有万变不离其宗的规律。到后面探讨一下这个事情。
cng 回复 悄悄话 我是先顶后看,点拨不敢当。看到你这句:
“普郎克定义了光能量的输出单位(quanta)是极小不连续的小砖块”

我感到这个“不连续的小砖块”是人类思想的精华。

比如,我问你一个问题,一株高豌豆,和一株矮豌豆杂交,后代是怎么样的。“正常”思维的人都说:当然是不高不矮中等身材的。

孟德尔却大声疾呼:“不对,控制身高输出单位的,是不连续的,可世代传递的小砖块(gene)”!

这一嗓子,从此吹响生命科学革命的号角!
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 '东裕德' 的评论 : 谢谢东裕德的支持鼓励,您也周末快乐。
东裕德 回复 悄悄话 读您的文章很有启发收获,学习了。周末快乐。
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 'cng' 的评论 : 呵呵,这些都是最近想回顾人类认知历史得到的学习心得,主要是在想我们是如何而至以及如何而去的问题。还敢请大学者在日渐白热化的政治斗争之余,多多过来略施指正点拨之力。
cng 回复 悄悄话 上下千年,文理纵横
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