牛頓錯了？光的本性不是微粒？——托馬斯·楊是怎麼想的
牛頓錯了？光的本性不是微粒？
托馬斯·楊是怎麼想的
張劍平
光的本性是什麼？
牛頓認為：光是一顆顆很小很小的微粒連續不斷流動形成的粒子流。發光的物體會接連不斷地向周圍空間發射光的粒子流。一旦這些光粒子進入我們的眼睛，衝擊視網膜，引起了視覺，我們就看到了光。
牛頓的這個學說被稱為光的「微粒說」。也就是牛頓認為光的本性是「微粒」。
光本性是「微粒」的觀點，可以追溯到很早很早的古希臘時期，畢達哥拉斯、德漠克利特等等大牛都是微粒說的支持者。法國數學家哲學家笛卡爾是牛頓的前輩，在他的著作《折光學》里也認為: 光是由大量而細小的彈性粒子所組成的。
那光的本質就是「微粒」啰？且慢，有幾個不買牛頓賬的人，提出了他們的不同觀點：他們認為光的本質不是「微粒」，而是一種「波」。人們把這種學說稱為光的「波動說」。
牛頓的「死對頭」——胡克就是「波動說」的支持者。胡克認為 「光是在以太中傳播的一種縱波」。胡克的觀點來源於義大利的數學家格里馬第。
格里馬第在1655年時做了一個實驗，他對放在光束中小棍子的影子進行了觀察，發現並命名了光的衍射現象。格里馬第據此推測光可能與水波相類似，是一種「波」。
格里馬第
Q
A
&
「光的衍射」是什麼？
光在傳播過程中，遇到障礙物或小孔時，光將偏離直線傳播的途徑而繞到障礙物後面傳播的現象，叫光的衍射。衍射時產生的明暗條紋或光環，叫衍射圖樣。
胡克繼承了格里馬第的觀點，也認為光是一種「波」。當牛頓用「微粒說」解釋光顏色的論文擺在胡克面前時，胡克自然毫不猶豫地進行了批駁。
關於光的顏色，牛頓認為，光的複合和分解就像不同顏色的微粒混合在一起又被分開一樣；而胡克則認為，光的顏色是由光的頻率決定的，不同頻率的光顏色是不同的。在光的顏色的解釋上，牛頓和胡克又懟上了。
Q
A
&
「頻率」是什麼？
頻率，是單位時間內完成周期性變化的次數，是描述周期運動頻繁程度的量。
以下我們用呼吸的頻率來具體說明：一呼一吸就是一個周期，單位時間為一分鐘；現在測定一下在一分鐘的單位時間內，一呼一吸的次數，這個次數就是呼吸的頻率。
下圖不同顏色表示了不同頻率的波，想一想，哪種顏色表示的波頻率更高呢？
光的顏色的解釋成了導火索，點燃了「波動說」胡克和「微粒說」牛頓間漫長而激烈的爭論。
在光的本性問題上，除了胡克外，還有一位堅定的「波動說」開創者，那就是荷蘭的惠更斯(Christiaan Huygens，1629年04月14日—1695年07月08日)。
惠更斯
惠更斯仔細研究了牛頓的光學試驗和格里馬第實驗，他認為其中有很多現象都是微粒說所無法解釋的，於是就毫不猶豫地站在了胡克一邊。
「我們對聲音在空氣中傳播所知道的一切，可能會導致我們理解光傳播的方式。」在惠更斯看來，光和聲音的傳播方式是可以做類比的。他認為：聲音是一種縱波，那麼光也是一種縱波；只不過聲音不能在真空中傳播，而光卻能在真空中傳播。
惠更斯最擅長的是用幾何的方法來巧妙地證明和解釋光學現象，他同樣無法解釋光在真空中傳播的原因，於是他和胡克一樣，不得不求助於假想的物質——「以太」。
光是一種在以太中傳播的縱波。成了這個時期「波動說」的一致觀點。
Q
A
&
「縱波與橫波」是什麼？
根據波的振動方向和傳播方向的關係，人們將波分為縱波和橫波兩大類。
振動方向與波的傳播方向垂直的波是橫波；振動方向與波的傳播方向平行的波是縱波。
根據縱波和橫波的定義，觀看下列動態演示圖，你能判斷出哪幅圖表示的是橫波，哪幅圖表示的是縱波嗎？
到此為止，因為對光的本性的不同觀點，分成了兩大陣營。一個是以牛頓為領袖的「微粒說」陣營，一個是以胡克、惠更斯為核心的「波動說」陣營。
你準備站在哪一個陣營呢？當然，正確的選擇方法，既不是看誰更有聲望和權威，也不是是看誰更值得同情，而是看誰的學說更科學。
判斷哪一個學說更為科學，我們可以對比這些學說在解釋現象時自圓其說的程度。有意思的是，無論是「微粒說」還是「波動說」，在解釋光的反射和折射現象上都非常完美。
那麼，這兩個學說是否有不能自圓其說的地方呢？
兩束光相交後卻不影響各自原本的前進方向，這是一個讓「微粒說」無法自圓其說的現象。如果光是由粒子組成的，那麼在兩束光在交叉傳播過程中粒子必然互相碰撞，這樣一定會導致光的傳播方向的改變，而事實並非如此。
為什麼光不能像聲波一樣繞過障礙物？為什麼光會產生影子？這些現象又是讓「波動說」無法自圓其說的。另外，「波動說」還面臨一個更加不穩固的理論基礎，那就是「以太」到底是否存在？
由此看來，無論是「微粒說」還是「波動說」，都有點道理，也都有點沒道理。照理說這次爭論雙方應該是平分秋色、不分勝負的，但是，最終結果卻還是分出了勝負。
牛頓的「微粒說」最終獲勝了！不是因為牛頓的「微粒說」成功地解決了所有的問題，而是因為牛頓本人的學術威望加上牛頓比對手更長壽。
牛頓選擇在胡克去世後的第二年公開發行《光學》，此時的惠更斯與胡克已相繼去世，「波動說」一方已無人應戰了。
整個十八世紀，幾乎無人向微粒說挑戰，直到牛頓的英國同胞托馬斯?楊（Thomas Young）登上舞台。
托馬斯?楊
托馬斯?楊認為牛頓對光的本質的認識是錯誤的，光是一種「波」而不是「微粒」。為什麼托馬斯·楊會如此堅定地擁護「波動說」呢？可能和他在大學時代的研究有著很大的關係。
托馬斯·楊在大學時代研究「光」嗎？不是，托馬斯·楊在大學裡學的是醫學。學醫的怎麼又會和「光」的研究搭上邊了呢？
原來，托馬斯·楊在大學時代研究的是人的眼睛和耳朵。眼睛是人體的光學器官，和「光」有著更直接的關係；耳朵是人體的聲學器官，和「聲音」有著更直接的關係。對眼睛和耳朵的研究把托馬斯·楊引向了光和聲音的探索，也使他更偏向於接納惠更斯的「波動說」理論。
研究眼睛的托馬斯·楊
托馬斯·楊雖然信服惠更斯的「波動說」，卻不認可惠更斯的幾何證明法。那麼，如何來更好地證明光是一種「波」呢？
托馬斯·楊憑藉自己多年對聲音的研究和對水面波紋的觀察，發現了「波」在傳播中的一個特性。準確地說：是兩個或兩個以上頻率相同的波相遇時，在一定情況下會相互影響，產生「干涉現象」。
Q
A
&
「干涉現象」是什麼？
兩個或兩個以上頻率相同的波相遇時，在一定情況下會相互影響，這種現象叫干涉現象。
托馬斯·楊想：既然「干涉現象」是「波」的特徵現象，如果光也具有「干涉現象」，不就說明光是一種「波」嗎？
托馬斯·楊的想法沒有問題，關鍵在於要通過實驗來證明光具有「干涉現象」，而這個實驗最大的難度是尋找到頻率相同的兩個光源。
任何難的問題似乎都難不倒有百科全書式學者之稱的托馬斯·楊。他首先在窗子上開了一個小洞，用厚紙片將小洞蓋住，再在厚紙片紙片上戳一個更小的洞，讓光線從厚紙片的洞中透過來；然後他用一個很薄的紙片把這束光從中間分成了兩束，兩束光正好可以當做是頻率相同的兩個光源。
實驗的結果，正如托馬斯·楊所料，他在牆壁上看到了光的干涉現象。
為了使光的干涉實驗具有更強的操作性，托馬斯·楊對實驗進行了完善。他把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面，這樣就可以形成一個點光源（從一個點發出的光源）；然後在開了小孔的紙後面再放上第二張紙，在第二張紙上開兩道平行的狹縫。當小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上，就形成了一系列明、暗交替的干涉條紋。
楊氏雙縫干涉實驗
這個實驗就是大名鼎鼎的楊氏雙縫干涉實驗。
雖然托馬斯·楊的實驗非常成功，但是他的這個理論在當時並沒有受到重視，甚至還被權威們譏為「荒唐」和「不合邏輯」，他的研究成果竟然被壓制了20年之久。
托馬斯·楊並沒有向權威低頭，他在他出版的《聲和光的實驗和探索綱要》書中寫道：「儘管我仰慕牛頓的大名，但是我並不因此而認為他是萬無一失的。我遺憾地看到，他也會弄錯，而他的權威有時甚至可能阻礙科學的進步。」
托馬斯·楊的干涉實驗毫無疑問地證明了「光」具有「波」的特性，那麼，這個實驗是否為光的「微粒說」和「波動說」之爭畫上了完美的句號呢？牛頓的「微粒說」真的完全錯了么？「光」的本性只能在「微粒」和「波」裡面二選一，只能非此即彼嗎？
要知道，雖然托馬斯·楊用實驗確證了「光」具有「波動性」，雖然托馬斯·楊後來糾正了「光」是「縱波」的錯誤觀點，但他始終沒有擺脫「以太」是「光」傳播媒介這一理論基礎。
「光」的本性到底是什麼？「光」究竟是如何傳播的？「光」是機械波嗎？……這些問題在科學史上會繼續激發出更多的智慧火光。
敲黑板
1.「儘管我仰慕牛頓的大名，但是我並不因此而認為他是萬無一失的。我遺憾地看到，他也會弄錯，而他的權威有時甚至可能阻礙科學的進步。」——托馬斯·楊
2. 沒有對權威質疑的勇氣，沒有突破性的探索，就沒有科學的進步和發展。
3. 從醫學專業跨界成為物理學家，說明了專業之間不是森嚴壁壘的，而是相互連通的。關鍵在於我們是否有托馬斯·楊的眼力和智慧，發現不同專業之間的關聯。
作者簡介
張劍平
自由的教育思考者
獨立精神的教師。
推崇理性和人性的教育
民盟盟員
江蘇省通州高級中學教師
微博頭條文章作者
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