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关于光是什么,光的本性是什么?本文作者认为这是人类在认识时空的历程中最有意义的探索。

牛顿倾向于支持光的微粒说。认为光可能是微粒流。与牛顿不同,笛卡儿主张光的波动说,他认为光本质上是一种压力,在以太中传递,传递的速度无限大。在历史上主张光是一种波动的科学家有很多。胡克明确主张光是一种振动,荷兰物理学家惠更斯继承了胡克的思想,发展了波动理论。

1801年,托马斯·杨通过双缝干涉实验证明了光是一种波动。托马斯·杨说:“尽管我仰慕牛顿的大名,但我并不因此非得认为他是百无一失的。我遗憾地看到他也会弄错,而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”而菲涅耳对光学的研究和法国科学院1818年的悬奖征文活动紧密相关。当时还寂寂无名的菲涅耳以严密的数学推理,从横波观点出发,圆满地解释了光的偏振,并用半波带法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹,推出的结果与实验符合得很好,令学界大为惊讶。并且若依照菲涅耳的理论将会产生泊松亮斑。而阿拉果用实验非常精彩地证实了菲涅耳理论的预言,影子中心果然出现了一个亮点。这一事实轰动了巴黎的法国科学院。

几十年之后,英国科学家麦克斯韦继承了前辈法拉第所描绘的场的思想,用以他的名字命名的麦克斯韦方程创立起完整的经典电磁学理论,并预言了光是一种电磁波,很快赫兹证明了电磁波的存在,从此光的波动说似乎取得了决定性的胜利。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦出生在苏格兰爱丁堡,自幼便被称为神童。一般认为麦克斯韦是整个科学发展史上从牛顿到爱因斯坦之间最伟大的理论物理学家。他出生于1831年,逝世于1879年。(看到这两个年份,就又让人想起了历史传承。法拉第在1831年发现了电磁感应定律,而1879年爱因斯坦出生。)

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詹姆斯•克拉克•麦克斯韦

麦克斯韦在电磁学理论方面的工作可以和牛顿在力学理论方面的工作相媲美。他和牛顿一样,“站在巨人的肩膀上,”总结并综合了前人的工作成果,用自己非凡的智慧,完成了电学、磁学和光学的统一,成为物理学史上第二位集大成者。

从18世纪末到19世纪初,在麦克斯韦出生前的几十年里,人类对电磁现象的认识取得了长足的进步。

1785年,法国物理学家库仑建立了库仑定律,使得两个点电荷之间的作用力可以被描述。1820年,奥斯特发现通电导线可以令磁针偏转,从而使电与磁联系起来。其后,安培研究了电流之间的相互作用力,提出了许多重要的电学概念和安培环路定律。法拉第在1831年发现了电磁感应定律。

这些发现都是麦克斯韦电磁理论的重要基础。

在人类对电磁现象认识的初期,关于电磁现象的学说都以超距作用观念为基础,认为带电体、磁化体或载流导体之间的相互作用,都是可以超越中间媒质而直接进行并立即完成的,即认为电磁传播的速度无限大。在那个时期,只有法拉第对此持不同观点。他认为上述这些相互作用与中间媒质有关,是通过中间媒质的传递而进行的。

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迈克尔•法拉第

1837年法拉第引入了电场和磁场的概念,指出电和磁的周围都有场的存在,这打破了牛顿力学“超距作用”的传统观念。1838年,他提出了电力线的新概念来解释电、磁现象,这是物理学理论上的一次重大突破。1852年,他又引进了磁力线的概念,从而为经典电磁学理论的建立奠定了基础。

法拉第以丰富的想象力阐述了电磁作用的本质。他认为电荷和磁极周围的空间充满了力线,靠力线(包括电力线和磁力线)将电荷(或磁极)联系在一起。法拉第通过研究电介质对电作用力的影响,认识到电力作用不可能是超距作用。法拉第的力线思想实际上就是场的观念,这是近距作用理论的核心内容。(对比于超距作用)

从现代的角度看,场作为一个物理学术语,是指在某种空间区域,其中具有一定性质的物体能对与之不相接触的类似物体施加一种力。场是一个以时空为变量的物理量,一般认为,实物和场是物质的两种基本形态,空间之所以并非虚空,是由于有场存在。场不同于物质,但也是一种实在。由此回看法拉第的思想真是无比的超前而且伟大。

麦克斯韦给了法拉第极高的评价。麦克斯韦写道:“也许有人会认为,多种现象的定量观测还未严密到足以形成数学理论的基础,但是法拉第并不满足于简单地叙述其实验的数学结果,也不希望靠计算来发现定律。当他掌握住一个定律时,他立即象对纯粹数学的定律一样,毫不含糊地讲出来;如果数学家把这个定律当作物理真理接受下来,从它推出其它可以用实验检验的定律,这位数学家只不过起了帮助物理学家整理自己思想的作用。当然,也要承认这是科学推理的必要步骤。”这里麦克斯韦提到的数学家实际上就是指他自己。

1865年,麦克斯韦辞职回乡,在全面系统地审视了库仑定律、毕奥—萨伐尔定律和法拉第定律的基础上,把数学分析方法带进了电磁学的研究领域,由此完成了电磁场理论的经典巨著《论电和磁》,并于1873年发表。

麦克斯韦继承了法拉第的观点,参照流体力学的模型,应用严谨的数学形式总结了前人的工作,提出了位移电流的假说,推广了电流的涵义,将电磁场基本定律归结为四个微分方程,这就是著名的麦克斯韦方程组(实际上是由英格兰物理学家奥利弗·赫维赛德将麦克斯韦方程组由20个方程简化成为现在的形式)。

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麦克斯韦对方程组进行了分析,预见到电磁波的存在,并断定,电磁波的传播速度为有限值(与光速接近),且光也是某种频率的电磁波。

1887年,赫兹用实验方法产生和检测到了电磁波,证实了麦克斯韦的预见。

1905~1915年间,爱因斯坦的相对论进一步论证了时间、空间、质量、能量和运动之间的关系,说明电磁场就是物质的一种形式。

(待续未完)

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时光之路