衍射和干涉,是波动性最硬的两个证据。
只要一个东西能发生清晰的干涉和衍射,那它一定具备波动性,这个在物理学里是没有争议的。
还有一个特性叫偏振,只有横波才有,纵波是没有的。
什么是横波、什么是纵波?
振动方向和传播方向垂直的叫横波,比如你甩动绳子产生的波,绳子上下晃,波往前传,两个方向正好垂直;振动方向和传播方向一致的叫纵波,比如来回按压弹簧产生的疏密波,还有我们说话的声波,都属于纵波。
只有横波才谈得上偏振。
说白了就是,横波的振动方向可以有很多种,上下振动、左右振动、斜着振动都可以。而偏振片就像一道带缝隙的栅栏,只允许和缝隙方向一致的振动通过,其他方向的振动就被挡住了。
这个原理在生活里用处特别多。
夏天开车戴的偏光太阳镜,就是利用了偏振。
路面、水面反射的太阳光,大多是水平方向振动的偏振光,偏光镜的 “栅栏” 是竖直方向的,就能把这些刺眼的反光过滤掉,开车的时候不会晃眼睛。
还有看 3D 电影戴的眼镜,本质也是一对偏振方向互相垂直的镜片。
放映机用两台摄像机从不同角度拍摄,分别投射出不同偏振方向的光,这样左右眼就能各自看到对应的画面,大脑一合成,就产生了立体效果。
光也有明确的偏振现象,这直接证明了光是横波。
所以在 19 世纪末,几乎所有物理学家都坚信:光就是一种电磁波,波动说已经是板上钉钉的真理了。
但你可别以为人类对光的认知一直这么顺利。
恰恰相反,关于 “光到底是波还是粒子” 这个问题,物理学家前前后后吵了近三百年。
早在十七世纪,英国科学家胡克和荷兰的惠更斯就提出了 “波动说”,认为光是一种在 “以太” 介质里传播的机械波。
但很快,牛顿大佬站出来提出了完全相反的 “粒子说”,认为光是由无数微小的 “光微粒” 组成的,沿直线飞行,所以才会有清晰的影子,才会发生反射和折射。
有意思的是,牛顿自己其实发现了 “牛顿环”,一种光的薄膜干涉现象,按说这是波动性的铁证。
但他至死都坚持粒子说,至于原因,有人说是他有自己的物理考量,也有人说他就是和胡克有私人恩怨,故意站在对立面。
反正凭着牛顿当时在科学界的绝对地位,粒子说直接压过波动说,统治了物理学界一百多年。
直到 1801 年,一个叫托马斯・杨的年轻物理学家,做了一个颠覆时代的实验,杨氏双缝干涉实验。
实验设计非常简单:点一支蜡烛,前面放一张带小孔的纸,得到一束点光源;再往前放一张开了两条平行狭缝的纸,最后放一块接收屏幕。
如果光是粒子,穿过两条缝之后应该在屏幕上留下两条亮线,对吧?
但实验结果完全不是这样。
屏幕上出现了明暗相间的条纹,亮的地方特别亮,暗的地方几乎全黑。
这是典型的干涉现象,只有波才会产生这样的效果。
按理说实验证据都摆出来了,该定论了吧?并没有。
当时牛顿的权威实在太大了,托马斯・杨的结论不仅没被认可,还遭到了整个学界的嘲讽,论文都找不到地方发表,只能自己掏钱印刷。
又过了十几年,法国物理学家泊松本来想彻底驳倒波动说。他用数学严格推导后说:如果光是波,那用一个不透明的圆盘挡住光束,圆盘阴影的正中央应该出现一个亮斑。
这听着就离谱,阴影中间怎么可能有亮斑?泊松觉得这就能证明波动说是荒谬的。
结果另一位物理学家菲涅耳真的动手做了实验,哎?阴影中央还真就有一个亮斑!
这下波动说反而多了一个无比坚实的证据。
这个亮斑后来就被叫做 “泊松亮斑”,也算是科学史上最有名的 “反向神助攻” 之一了。
从这之后,波动说才慢慢扬眉吐气,越来越多的人开始相信光确实是波。
再后来,麦克斯韦写出了堪称完美的麦克斯韦方程组,统一了电和磁,还预言了电磁波的存在。
他通过计算发现,电磁波的传播速度和光速完全相等,于是大胆断言:光,本质上就是一种电磁波。
这个预言在 1887 年被赫兹用实验证实了。
赫兹不仅验证了光是电磁波,还顺便发现了一个奇怪的小现象:紫外线照射到金属表面的时候,会让金属打出电子,也就是后来我们说的 “光电效应”。
可就是这个不起眼的小现象,又把刚刚站稳脚跟的波动说,推到了悬崖边上。
为什么光电效应这么麻烦?因为它的每一条实验规律,都和波动说的理论完全对不上。
按照波动说的逻辑,光的能量是由强度(也就是振幅)决定的,振幅越大能量越高。
就像海浪,浪越高冲击力越大。那按理说,只要光的强度足够大,不管什么频率的光,都应该能打出电子才对。
但实验结果结结实实地打了所有人的脸:
第一,能不能打出电子,跟光强一点关系都没有,只跟频率有关系。只要频率够高,哪怕光特别暗,也能轻松打出电子;频率要是低于某个阈值,你把光调到亮瞎眼,也一个电子都打不出来。