波的载体

时间:2023-11-25 09:49:01

在17世纪,罗伯特·胡克就发现声音不能在真空中传播。这证实了一个古希腊时期就发展出来的观点,当时的斯多葛学派哲学家认为声音是空气的简单振动。如果抽走空气,声音随之消失。这与光和磁不同,透过真空也能看见对面的灯光,而真空中的磁场间同样能互相影响。所以,当没有空气时,是其他什么东西在介入传递这些影响呢?古希腊人可不喜欢真空这个概念,因此他们提出了“以太”——一种充斥空间内的“比空气更微妙的介质”,它不会随着空气的消失而消失。虽然我们尚不清楚牛顿将以太做何精确定位,但他确实相信以太的存在。以太的概念充斥着随后的几个世纪,直到最后被爱因斯坦的相对论推翻。这就是以太的来龙去脉。

牛顿是一个力学大师,他总是将自然现象解释为物质内粒子的运动,这直接导致他最初将光描绘成微粒的爆发,或者我们现在称为的“光子”。牛顿力学自然也不承认“隔空互动”这种东西。对于一些电吸引现象,例如与丝绸摩擦后的玻璃会吸起碎纸片这种现象,牛顿认为是因为一些以太类物质从玻璃中飞出去并将碎纸片拉回到玻璃上。1675年,牛顿发表了他的光理论,其中就包含广泛的以太理论。

但他并不满意。在仅仅过了5年后,他就抛弃了以太论,转而支持物质内部粒子之间的吸引和排斥理论。35年之后,他发布了他的专著《光学》第二版,其中他同样接受以太的存在,但他认为实际上是以太构成的粒子之间的排斥力才最终导致了隔空互动。

18世纪,瑞士数学家和物理学家莱昂哈德·欧拉(Leonhard Euler)驳斥了牛顿提出的光的微粒理论,并提出自己的光学现象解释,认为其是流动以太中的振荡。在19世纪初,英国物理学家托马斯·杨(Thomas Young)发现光中包含有波,这引发了翻天覆地的变革。他当时的主要兴趣是感观学。作为医科学生,他曾经研究并发现了当眼睛聚焦不同距离的物体时晶状体是如何变形的。在1801年他发现了眼睛散光的原因,由此开始对光的特性产生了兴趣。之后他发现了干涉现象:当光穿过两个相邻的小孔后,会在后端形成一系列明暗相间的条纹。这和水波交汇时的情形非常相似,当两个波峰相遇时合成大峰,而当波峰和波谷相遇时波动消失。上下起伏的光波中相似的峰和谷的交汇可以自然而然地解释这个现象。事实上,两束光交汇时可能产生黑暗,这个发现是非常重要的,其关于波的解释一度成为光波动性的最权威证据。(1)

19世纪对于光电性质的巨大兴趣导致了古老的以太理论的复苏,即犹如空气传播声音般,以太是传递光波的媒介。在19世纪的科学中,以太被假定为无质量、透明、绝对光滑,且实际上不能通过任何物理或化学方法探测到。它无处不在、无所不有,据推测应该是一种有弹性的固体形态,类似于钢。行星可以在其间自由穿行,形若无物。19世纪的很多科学研究都致力于探测这个神奇的家伙。

以太论很好地解决了真空中的光传播谜题,但无法解释为何当光穿过如水和玻璃这种非真空的透明物体时,其行为会发生变化。光在水中的传递速度比真空中慢;而一些看似透明的物质却会将光散射开,导致光无法穿透,这个现象被用来制作偏光太阳镜。直到麦克斯韦提出了光是电磁场发出的波的观点,这些现象才被一一解释清楚。

以太曾被认为可能是光振荡的介质。这种假设认为,以太以静止态遍布宇宙,由它定义出牛顿力学中的绝对静止状态。直到1887年,人们开始明白光是一种振荡的电场和磁场形成的波。声波的振动方向与传播方向相同,而电磁场的振动方向与传播方向垂直。因此,人们开始尝试将电磁学和光学的各种定律应用到静止以太这种理想的物质中去。