關于波的九大發現

出祺然

物理學家與沖浪愛好者有一個共同特點，那就是他們都認為波很有趣。除了樂趣之外，對于物理學家來說，波還是自然界的一個最為重要的物理現象。從熱、光、廣播和電視，再到音樂、地震和全息圖，波在很多物理過程中扮演著重要的角色。許多科學中最偉大的成就，都是關于波的新發現或新見解。

下面，我們列舉九個此類的發現，來體驗一下波的無窮魅力。

1、托馬斯·楊：光波

在18世紀，科學家對光的本質是什么而爭論不休。艾薩克·牛頓曾強烈主張光是由非常小的粒子組成。牛頓同時代的荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯強烈反對牛頓的觀點，認為光是以波的方式傳播的。

一個世紀后，英國物理學家托馬斯·楊解決了關于光的本質的長期爭論。他通過一系列巧妙的實驗，用強有力的證據證明了光是一種波。在一個實驗中，楊在一張厚厚的紙上戳出兩個小孔，發現光線穿過兩個小孔后，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。之所以會這樣，是因為光穿過兩個孔后會像水波一樣發生干涉現象干擾。如果光是由粒子構成的話，那么只會形成兩個亮斑。但是，楊沒能在數學上準確地描述光波，許多牛頓支持者仍拒絕接受楊的觀點。

但很快，法國物理學家奧古斯丁·讓·菲涅耳就詳細地計算了光如何以波的形式進行傳播。此外，按照牛頓的理論，光在水與空氣界面發生折射，是因為光粒子受到水一側的吸引。這意味著，光粒子在水中的速度必須更快。但在1850年，法國物理學家萊昂·傅科測出，光在水中傳播的速度遠低于其在空氣中的速度。于是，即使是最堅定的牛頓支持者也不得不投降。如果牛頓那時還活著的話，他也肯定會承認光是一種波。

不過在很久以后，愛因斯坦發現，光其實可以由一種被稱為光子的粒子組成。最終，物理學家意識到，光既具有波動的特性，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。受經典力學思想影響，科學家們便假想宇宙到處都存在著一種稱之為以太的物質，光的傳播就是借助于這種物質的。

1887年，美國科學家阿爾伯特·邁克耳孫與愛德華·莫雷設計了一項實驗，來探測以太。因為地球以每秒約30千米的速度繞太陽運動，必須會遇到每秒約30千米的“以太風”，這會對光的傳播產生影響。光在地球運動方向上的傳播速度應與直角方向上的傳播速度不同。但是，他們的沒有發現任何以太效應。他們最初認為，實驗本身可能存在缺陷。但在后來，愛因斯坦提出，其實根本就沒有以太。

3、詹姆斯·克拉克·麥克斯韋：電磁波

英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋死于1879年，是愛因斯坦出生的那一年，所以不知道沒有以太。當時的他認為，電和磁是某種類似以太的介質中的力。

麥克斯韋意識到，在這種介質中，一個振蕩中的電場會產生振蕩的磁場，而一個振蕩中的磁場又會產生振蕩的電場，這些連續不斷同相振蕩的電場和磁場共同地形成了電磁波。他根據自己提出的描述電磁現象的方程組（麥克斯韋方程組），計算電磁波的速度可達到每秒3.1億米，與那時測得光速（每秒2.98億米到每秒3.15億米）非常接近。麥克斯韋認為，世界上沒有巧合的事情，所以他就得出了結論，認為光就是一種電磁波。

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

4、海因里希·赫茲：無線電波

沒有多少人在一開始就認真對待麥克斯韋。然而，一些物理學家很早便開始追隨麥克斯韋的步伐，并完善了他的理論。德國物理學家海因里希·赫茲就對麥克斯韋的理論信心十足，于是他在實驗室里進行了實驗。在1887年，他成功地制造并檢測到了無線電波。

他的成功使得麥克斯韋的理論贏得了更多的尊重。現在，他所發現的無線電波，被應用在無線通訊、廣播、雷達、通訊衛星、導航系統、電腦網絡等方面。雖然赫茲死于1894年，遠在他的發現被廣泛應用之前，但電磁波頻率的國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生了大地震，這是人類史上破壞性最大和死傷人數最多的地震之一，死亡人數估計為6萬至10萬。同年，英國地質學家和天文學家約翰·米歇爾開始調查引發里斯本大地震的原因。1760年，他得出結論，認為“地下火災”是引發地震的罪魁禍首，并指出火山——“燃燒的山脈”——通常出現在地震頻繁的地區。

米歇爾還首先提出，地球在地震時的活動部分是以波的形式傳播的。他還引用了地震的目擊者描述，說地面“就像海浪中的大海一樣”。而在后來，地震學家對震動地球的地震波有了更精確的了解，而且通過它們還能借此推斷地球的內部結構。

6、威廉·倫琴：X射線

赫茲發現的無線電波，是麥克斯韋方程中所預示的長波電磁波。而在隨后的1895年，德國物理學家威廉·倫琴偶然地發現了一種短波電磁波。

當倫琴讓陰極射線（電子束）穿過玻璃管時，出現了一種未知類型的神秘射線，因此它被倫琴命名為X射線。倫琴認為，他發現的射線，可能是許多物理學家所希望找到的一種新的電磁波。他還發現，這種新的射線與光線類似，能產生陰影。而X射線會陰影，最終成為了一項革命性的醫學技術的基礎。

X射線除了能用于醫學成像診斷以外，它最終還成為了天文學、生物學和其他科學領域的基礎研究工具。此外，X射線的發現還打破了那時候許多物理學家的自滿情緒，因為他們過去曾認為，他們基本上已經把自然界的一切都弄清楚了。順便說一下，X射線不是波長最短的電磁波，伽馬射線的波長比它的更短。

7、路易·德布羅意：物質波

20世紀20年代初，法國物理學家路易·德布羅意根據類比的方法，把光的波粒二象性推廣到了所有的粒子身上。他提出了物質波的假設，認為每一個微觀粒子也具有波動性，即和光一樣，也具有波粒二象性。德布羅意最終把他的觀點寫進了他的博士論文里。（我刊2007年10期視點文章《地球突然消失》就詳細介紹了德布羅意波。）

這可能有點古怪，但愛因斯坦讀完德布羅意的論文后，認為這是有道理的。1927年，美國物理學家克林頓·戴維孫和雷斯特·革末讓100電子伏的電子束穿過鎳單晶表面時，觀測到了電子的衍射現象。而衍射是波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象，所以他們的實驗表明，電子也具有波動性。幾乎與此同時，英國物理學家喬治·湯姆森用2萬電子束穿過多晶薄膜做實驗時，也觀察到了電子衍射現象。

德布羅意于1929年獲得諾貝爾物理學獎。隨后，戴維孫與湯姆森也分享了1937年的諾貝爾物理學獎。有意思的是，湯姆森的父親約瑟夫·湯姆孫，還贏得過1906年的諾貝爾物理學獎，獲獎理由是他發現了電子。而20世紀30年代，德國物理學家恩斯特·魯斯卡因還利用電子的波動行為設計出了電子顯微鏡，并因此獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。

8、馬克斯·玻恩：物質波

是概率波

描述機械波的波動方程可以由牛頓力學方程給出，描述電磁波的波動方程就是麥克斯韋方程組。那么，描述物質波的波動方程會是什么樣的？

德布羅意的理論提出來之后，許多物理學家開始試圖尋找物質波的波動方程。在1926年，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤找到了這種波動方程，它可以用來描述粒子的狀態是如何變化的，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，并成為了量子力學種基礎方程之一。

電磁波是電場和磁場在空間交替波動，那么物質波代表著什么實際的物理量在波動呢？我們得看看薛定諤方程是怎么描述物質波的。

薛定諤方程中，用一個叫“波函數”的量來描述物質波的波動性，但最開始時，沒人知道波函數有著什么物理意義。沒過多久，德國的物理學家、愛因斯坦的好朋友馬克斯·玻恩發現，波函數的絕對值的平方能給出某個時間、某個位置上找到粒子的概率。所以，他認為物質波既不同于機械波，也不同于電磁波，是一種體現粒子運動具有不確定性特點的概率波。

但是，德布羅意、薛定諤與愛因斯坦都不贊同玻恩的觀點。德布羅意還表示，他從一開始就認為物質波是一種客觀存在的波。直到今天，物理學家仍對波函數的真實物理意義進行著激烈的辯論。

9、LIGO：引力波

愛因斯坦完成他的廣義相對論之后，他就意識到存在引力波的可能性——時空自身振動產生的一種漣漪。他可能沒有想到，在一個多世紀后，物理學家花費了10多億美元，竟然能夠探測到這種時空漣漪。2015年9月，分別美國路易斯安那州和華盛頓州的兩個激光干涉引力波天文臺（LIGO），就首次觀測到了一對黑洞合并時產的引力波。

這無疑是科學史上最重要的發現之一。因為引力波是時空本身的漣漪，幾乎可以穿過宇宙任何區域，所以天文學者可以用它觀測到其他傳統方法無法探測到的天文學事件，比如觀測超新星的核心，或者大爆炸的最初幾分之一秒。所以說，引力波為我們了解宇宙開啟了一扇新的窗戶。