牛頓和惠更新的對話

胡紫霞

牛頓和惠更斯兩位科學家之間的爭論，由于牛頓的威望，“光的微粒說”在18世紀取得了統治地位。進入19世紀以后，“波動說”又重新活躍起來。

第一位向“微粒說”發起沖擊的是牛頓的同胞托馬斯·楊。

托馬斯·楊：

牛頓先生，您好！盡管我非常仰慕您的大名，但我并不因此認為您的觀點都是正確的。我遺憾地看到，有的時候您也會弄錯，而您的權威也許有時會阻礙科學的進步。

為了證明光是一種波，我在暗室中做了一個舉世聞名的“光的雙縫干涉實驗”。我們知道，干涉現象正是波動的一個特性。

筆者解釋一下，“雙縫實驗”是一種“雙路徑實驗”。假設光束是由經典粒子組成，將光束照射一條狹縫，光通過狹縫后，照射在探測屏上，則在探測屏上應該會觀察到對應于狹縫尺寸與形狀的圖樣。可是，實際進行“單縫實驗”時，探測屏會顯示出光束被展開，狹縫越狹窄，則展開角度越大。探測屏會顯示出在中央區域有一塊比較明亮的光帶，旁邊襯托著兩塊比較暗淡的光帶。類似地，假設光束是由經典粒子組成，將光束照射于兩條相互平行的狹縫，那么在探測屏上應該會觀察到兩個單縫圖樣的總和。但實際并不是這樣，在探測屏上顯示出一系列明亮條紋與暗淡條紋相間的圖樣。托馬斯·楊的實驗成功證明了光確實是一種波，它只有用“波動說”才能解釋，“微粒說”對此一籌莫展。而緊接著的是另一個著名實驗——光的衍射實驗，完成這個實驗的正是法國物理學家菲涅爾。

菲涅爾：

大家好，我很榮幸為你們解釋這個實驗現象。這是一種波在傳播過程中可以繞過障礙物，或穿過小孔、狹縫而不沿直線傳播的現象，實驗中成功地演示了明暗相間的衍射圖樣，而衍射現象也是波的基本特性之一。因此我也支持“光的波動說”，我認為牛頓先生的“微粒說”是不合理的。

以上兩個實驗，給“微粒說”以致命打擊的是對光速值的精確測定。牛頓和惠更斯在解釋光的折射現象時，對于水中光速的假設是截然相反的，誰是誰非，難以證實。到了19世紀中葉，法國物理學家菲索和付科，分別采用高速旋轉的齒輪和鏡子，先后精確地測出光在水中的傳播速度只有空氣中速度的四分之三，又一次證明了“波動說”的正確性。

牛頓：

好吧，看來我也有錯誤的時候。所以大家千萬記住了，不要盲目迷信權威啊！好好做實驗，好好做研究。

經過反復較量，“波動說”終于壓過了“微粒說”，取得了穩固的地位。到19世紀60年代，麥克斯韋總結了電磁現象的基本規律，建立了光的電磁理論。到19世紀80年代，赫茲通過實驗，證實了電磁波的存在。利用“光的電磁說”，對于以前發現的各種光學現象，都可以做出圓滿的解釋。這一切使“波動說”在同“微粒說”的論戰中，取得了無可爭辯的勝利。

但是，物極必反。正當“波動說”歡慶勝利的時候，意外的事情發生了——“以太”存在的否定和光電效應的發現，這些新的實驗事實又一次要置“波動說”于死地。“波動說”認為，光是依靠充滿于整個空間的連續介質——“以太”做彈性機械振動傳播的。為了驗證“以太”的存在，1887年，美國物理學家邁克爾遜和莫雷使用當時最精密的儀器，設計了一個精巧的實驗。

邁克爾遜和莫雷：

是的，我們的確做了這個實驗，你們一定得記住實驗的名字，要是實在記不住，就叫它MM實驗也可以。雖然實驗是失敗的，但我們并不沮喪。實驗結果證明，地球周圍根本不存在什么“機械以太”。那么問題來了，沒有“以太”，光波和電磁波是怎樣傳播的呢？

面對這一“波動說”難以克服的困難，“微粒說”又躍躍欲試。而光電效應的發現，使“微粒說”再次“復辟登基”。所謂光電效應，就是指金屬在光的照射下，從金屬表面釋放出電子的現象，所釋放的電子叫做光電子。至此，“光的微粒說”又昂首挺胸，活躍在科學的舞臺上。

這時，又有一位牛人出現了，他就是——愛因斯坦，他運用“光量子說”把光電效應解釋得一清二楚。但是，愛因斯坦并沒有拋棄“波動說”，而是把二者巧妙地結合在一起，并辯證地指出：“光既是波，又是粒子，是連續的，又是不連續的。自然界喜歡矛盾……”這一思想充分地把粒子和波緊密地聯系在一起，至此，“光的波粒二象性”就成為描述光的主要觀點了。