科學史上的弄潮兒——那些和「波」有關的偉大工作

科學無國界

我們是知識的搬運工

作者：TOM SIEGFRIED

翻譯：Propogator

審校：山寺小沙彌

物理學家就像是一群衝浪愛好者，他們對波格外感興趣。

當然，對衝浪愛好者來說，海洋里的波浪關乎他們在潮頭的嬉戲。但對於物理學家而言，無處不在的波則關係到物理現象背後的自然機理。今年6月1日公布的又一次引力波探測結果，再次撩動了全世界科學愛好者們顫動的心弦。

波一直是科學和數學領域的熱門話題，從光學、熱學到收音機和電視，從聲譜到音樂，從地震到全系息影像，波在諸多物理過程中扮演著極為重要的角色。（以前在棒球比賽里還能看到此起彼伏的人浪，不過現場觀眾們恐怕並不待見這種又累又無聊的行為，所以現在已經很少見了。）

科學界許多偉大成就實質上就是發現新的波動形式或是對於波的運動有了新的理解。要從浩瀚歷史中選出10個最具代表性的和波有關的發現及思想，可謂難上加難，本文也難免會招致一些擁躉的非議。在此聲明，如果您的心頭所好未能上榜，那就當它排名第十一吧。。。

10

托馬斯·楊：光的波動說

在19世紀初葉，英國物理學家托馬斯·楊為一場關於光的本質的世紀之辯落下了帷幕，也正式為牛頓為首的光粒子說敲響了喪鐘。楊接過了牛頓的同輩人惠更斯的衣缽，堅定地認為光在空間中以波的形式傳播。

藉助一系列巧妙的實驗，楊為世人展示了光具有波動性的有力證據。他在一張厚紙上鑽了兩個小孔，入射光穿過小孔後在紙的另一側的平板上形成了明暗相間的條紋，光在穿過兩個孔後就像水波一樣發生干涉，當光波的波峰與波谷相位相同則相消形成暗紋，同理，波峰與波峰（波谷與波谷）相位相同則形成亮紋。遺憾的是，楊並未用數學語言精確地描述這一過程，也引起了牛頓擁躉者的批判。

托馬斯·楊於1807年的演講中所用到的雙縫衍射示意圖

但很快法國物理學家菲涅爾就完成了光波的數學描述。而1850年福柯發現光在空氣中的傳播速度比在水中快。哪怕是最堅定的牛頓信徒也不得不向這一事實屈服。在這些證據面前，牛頓本人恐怕都得承認光是由波組成的。當然，很多年後，愛因斯坦另闢蹊徑，證明光也可能是由粒子組成的，這種粒子就是光子。

9

邁克耳遜莫雷：光不需要傳播媒介

波是振動的傳播，這意味著需要有傳播介質。聲波源於空氣分子的振動，海浪源於水分子的振動。光波則曾被認為源於一種不可見的物質「以太」的振動。

1887年，艾爾伯特·邁克爾遜和他的同事愛德華·莫雷設計了一次探測以太的實驗。他們指出，如果我們假定地球在以太中運動，那就意味著光的速度應當與其運動方向有關。由於光源隨著地球運動，光速在與光源運動方向不同的角度不可能保持不變。理論上，邁克爾遜和莫雷可以探測到光的干涉條紋隨光速的改變而產生的變化，但他們的儀器並未發現任何以太存在的痕迹。謙遜的二位科學家認為是自己的實驗設計還不完善。但之後愛因斯坦發現事實上以太並不存在。

一種典型的邁克爾遜干涉儀，圖中黃色部分為光路

8

麥克斯韋：光是一種電磁波

麥克斯韋逝世於1879年，巧的是，這一年愛因斯坦剛剛出生，所以麥克斯韋一生都並不知道以太並不存在。雖說如此，麥克斯韋還是成功用以太中的應力解釋了電與磁現象。

麥克斯韋意識到以太中的電荷與磁荷會產生以波的形式傳播的擾動，而從電磁場的強度關係（麥克斯韋方程組）可以推導出這種波的傳播速度，大約為每秒31萬公里，這與當時光速的測量結果（在每秒29.8~31.5萬公里之間）很接近。麥克斯韋雖然沒看過《海軍罪案調查處》這部刑偵劇，但想必他也明白「這個世界上沒有巧合」，進而推定光就是一種電磁波。

GIF/216K

光也是一種電磁波

麥克斯韋於1864年寫道：「我們有足夠的理由斷定光波，包括熱輻射和其他可能存在的輻射，都是以波的形式存在，並通過電磁場傳播的電磁擾動。」他所謂的「其他可能存在的輻射」，後來被證明是一張涵蓋了所有波長的波譜，從伽馬輻射到無線電波，無一例外。

7

海因里希·赫茲：無線電波

一開始麥克斯韋的理論並沒有引起很大的反響。但也有少數麥克斯韋的信徒致力於推廣他的理論與思想。德國物理學家赫茲就是其中一員，他在卡爾斯魯厄的實驗室里成功地產生並檢測到了無線電波，只可惜這項偉大的工作現在大多用於播報一些毫無意義的脫口秀。

赫茲當年所用的無線電發射器

赫茲的實驗大大地提升了麥克斯韋電磁理論的地位，赫茲本人更是對其推崇備至，他感慨道：「在研究麥克斯韋電磁理論的過程中，一種感覺在我腦海里揮之不去：我能感覺到這些數學公式本身就具有生命與智慧，甚至比我們自身還要睿智。」無線電波實驗最早成功於1887，正是這一年邁克爾遜和莫雷的以太探測試驗失敗。1894年，赫茲不幸去世，所以他未能看到他的成果得到廣泛應用。

6

約翰·米歇爾 地震波

在1755年的里斯本大地震的驅使下，英國地質學家及天文學家米歇爾開始研究地震的起因。在1760年，他注意到火山——亦即他筆下的「火焰山」——通常出現在地震頻發地域的附近，米歇爾因而認為「地下火」是地震的罪魁禍首。

米歇爾指出「地震時地下的運動部分以多種波的形式傳播，並在地殼內相繼傳遞，其傳播距離遠近不一。」他引用了地震目擊者的說法：「地面像海浪般湧起。」很久之後，在米歇爾的思想啟發下，地震學家發展出了更完善的地震波理論，並藉助地震波探測地球的內部構造。

5

威廉·倫琴：X射線

當赫茲發現無線電波的時候，他很清楚自己在尋找的是麥克斯韋所預言的長波輻射。但在幾年後，1895年，倫琴發現電磁波譜上與無線電波相對的短波輻射——這一發現完全是偶然的。

在倫琴將陰極射線（即電子束）穿過玻璃管的時候，一種神秘的短波長射線悄無聲息地出現了（也因此被命名為X射線），倫琴認為這種新的射線應當也隸屬於麥克斯韋的理論框架。他寫道：「這些陰影就足以說明，這種新的射線與光波之間似乎存在著某種聯繫。」這些陰影后來成為了醫學科技革命的基礎之一。

首批X射線照片之一，圖中是倫琴夫人的手

除了用於觀察受損骨骼和其它人體內部結構，X射線現已成為天文學、生物學等諸多科學領域的重要研究工具，在19世紀末，它還幫了一個大忙——打碎了物理學家對於「物理學大廈業已落成」的盲目自信。後來，研究者訝異地發現，X射線同樣具備粒子性，進一步證實了愛因斯坦的光量子假說。順帶一提，X射線並非波長最短的電磁波，這一殊榮後來讓位於伽馬射線，也許後者能算作排行第11位的工作吧。

4

伊壁鳩魯：隨機轉向

伊壁鳩魯的大理石雕像

這裡我們說的並不是一般意義上的波，而是公元前300年左右由希臘哲學家伊壁鳩魯設想的相對直線運動的偏差。與亞里士多德不同，伊壁鳩魯相信原子論，並辯稱我們的世界是由無限個隨機碰撞的微小粒子構築而成。他認為，如果沒有某種難以預測的「轉向」使得原子的路徑發生偶然的偏轉，原子理應直接墜入宇宙的中心。在這種隨機轉向的影響下，原子彼此碰撞並聚集成一些複雜的結構。

當代哲學家們並未遺漏伊壁鳩魯關於隨機轉向的跨時代構想，並敏銳地發現了這種思想和量子力學中粒子運動不確定性之間的聯繫。而在量子力學中，粒子的這種所謂隨機「轉向」本身就是波。

3

路易斯·德布羅意：物質波

在20世紀20年代早期，德布羅意注意到量子力學與相對論之間奇妙的聯繫，普朗克那著名的量子公式將能量與波動的頻率聯繫在一起；而愛因斯坦的狹義相對論又把能量與粒子質量關聯起來。德布羅意心想，一旦找出這兩個看似風馬牛不相及的理論之間的瓜葛，說不定能寫一篇不錯的博士論文呢。如果粒子能量等價於質量（乘以光速的平方），且同樣等價於頻率（乘以普朗克常數），那就愉快地決定了，質量等價於頻率（乘以一些常數的組合）。因此，德布羅意推斷，既然粒子質量對應著頻率，那粒子本身也應當以波的形式存在。

這聽起來也許很奇怪，但愛因斯坦讀了論文後覺得德布羅意的觀點很合理。很快德國物理家沃爾特·埃爾澤塞爾和美國物理學家柯林頓·戴維森及其合作者分別獨立證明電子的確會表現出波的性質，這一實驗事實無疑佐證了德布羅意的觀點。

GIF/533K

德布羅意於1929年獲得諾貝爾物理學獎；戴維森和喬治·湯姆遜於1937年共享諾貝爾獎，後者同樣也得到了電子波動性的實驗證據，有意思的是，喬治的父親老湯姆遜於1906年因發現電子粒子的存在而獲得諾獎。1986年恩斯特魯斯卡憑藉設計出以電子波動性為原理的電子顯微鏡獲得諾獎。

2

馬克斯·玻恩：概率波

德布羅意思想的火花在量子力學領域燃起了一片燎原之火，物理學家們嘗試把物質波理論整合進量子力學框架內。尼爾斯·玻爾也是其中一員，他為整合電子與光波的波粒二象性可謂嘔心瀝血。與此同時，埃爾文·薛定諤則發展出了完善的「波動力學」，完全從波動的視角去看待原子中電子的運動。儘管一些實驗清楚地表明電子是實物粒子，但薛定諤引入的「波函數」所描繪的理論圖景卻與實驗結果十分契合。

愛因斯坦的好友，德國物理學家玻恩發現了解釋波函數的關鍵：波函數模的平方標示了在給定點粒子出現的概率。當玻恩將自己的發現與新鮮出爐的海森堡不確定性原理聯繫在一起時，近代物理圖景的電子本質已是昭然若揭：電子在被觀測前是波一樣的存在，並不具備確定的位置。這種理解方式在各種實際應用中都行之有效，但物理學家和哲學家們直至今日仍在無休止地辯論波函數的物理實質。

1

LIGO: 引力波

在完成廣義相對論後不久，愛因斯坦意識到他的理論預示了引力輻射存在的可能性——即時空本身的振蕩。然而他老人家何曾想到，在百年以後，物理學家們豪擲千金，竟然真的探測到了這些時空的漣漪。在2015年，藉助激光技術（大概也算是排行第11位的工作吧），路易斯安那州和華盛頓州的兩座激光干涉儀引力波天文台，成功捕捉到了由兩個黑洞碰撞所引發的時空顫動的蛛絲馬跡。

2015年9月14日，位於華盛頓州的漢福德和路伊斯安娜州的利文斯頓的引力波探測器幾乎在同時記錄到了時空的波紋。

這一發現無疑是科學史上最為卓越的實驗成就之一。它標誌著天文學的新紀元，為天文學家的深空探測提供了新的可能，那由麥克斯韋口中「其他可能的輻射」所構成的神秘面紗，終究會被穿越星辰的引力波揭開吧。對天文學而言，引力波代表著未來。

編輯：山寺小沙彌

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！