對于物理學家來說，“波”是自然界中最重要的物理現(xiàn)象之一。從熱、光、廣播和電視到音樂、地震和全息圖，波在許多物理過程中起著重要作用。許多科學們最偉大的成就是關于對波這種自然現(xiàn)象的見解。
以下是九個關于“波”的發(fā)現(xiàn)！
邁克爾遜和莫理：“沒有以太”
聲波的傳播需要依靠空氣，水波的傳播需要依靠水等。受經典力學的影響，科學家們假設宇宙中到處都有一種叫做以太的物質，用來傳播光。
早在1887年，美國科學家艾伯特·邁克爾森和愛德華·默里設計了一個實驗來探測以太物質。由于地球以每秒30公里左右的速度繞太陽運行，因此必須遭遇每秒30公里左右的“天風”，這將對光的傳播產生影響。地球運動方向的光速應與直角方向的光速不同。但他們的發(fā)現(xiàn)并沒有揭示任何以太效應。他們最初認為實驗本身可能有缺陷。但后來愛因斯坦提出根本沒有以太體。
托馬斯·楊：光波
在18世紀，科學家們爭論光的本質是什么。艾薩克牛頓曾經主張光由非常小的粒子組成。與他同時代的荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯（Christian Huygens）強烈反對他認為光是以波的形式傳播的。
一個世紀后，英國物理學家托馬斯·楊解決了關于光的性質的長期爭論。他通過一系列巧妙的實驗證明了光是一種波，而且證據(jù)確鑿。在一次實驗中，托馬斯·楊在一張厚紙上戳了兩個孔，發(fā)現(xiàn)光線穿過兩個孔后，在紙張后面的另一張紙表面形成了一系列明暗相間的條紋。這是因為光通過兩個孔的干涉會像水波一樣干涉。如果光是由粒子組成的，則只會形成兩個亮點。然而，楊未能從數(shù)學上描述光波，許多牛頓的支持者仍然拒絕接受楊的觀點。
但很快，法國物理學家奧古斯丁·讓·菲涅爾就詳細計算了光是如何在波中傳播的。此外，根據(jù)牛頓理論，光在水和空氣的界面處折射，因為光的粒子被水的一面吸引。這意味著輕粒子在水中的速度必須更快。但是在1850年，法國物理學家利昂·�？聹y量到光在空氣中的傳播速度遠低于它的速度。所以即使是最堅定的牛頓支持者也不得不投降。如果牛頓當時還活著，他會承認光是一種波。
但是經過很長一段時間，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)光實際上是由一種叫做光子的粒子組成。最后，物理學家們認識到光同時具有波和粒子的性質，這就是所謂的“波粒二象性”。
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋：電磁波
英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋死于1879年，也就是愛因斯坦出生的那一年，所以他不知道“沒有以太”。當時，他認為電和磁是某種以太介質中的力。
麥克斯韋認識到，在這種介質中，一個振蕩場產生振蕩磁場，一個振蕩場產生振蕩電場，振蕩電場與連續(xù)恒相振蕩電場和磁場一起形成電磁波。根據(jù)他自己的方程（麥克斯韋方程組），電磁波的速度可以達到每秒3.1億米，這與實測的光速（每秒298毫米到315毫米）非常接近。麥克斯韋認為世界上沒有巧合，所以他得出結論，光是一種電磁波。
麥克斯韋在1864年寫道：“我們似乎有充分的理由得出這樣的結論：光本身（包括熱輻射和其他輻射，如果有的話）是電磁場中以波的形式存在的電磁干擾。”然后，還有許多其他電磁波，包括伽馬輻射、X射線、無線電波等。
海因里希·赫茲：無線電波
一開始沒多少人把麥克斯韋當回事。然而，另外一些物理學家早已追隨麥克斯韋的步伐，完善了他的理論。德國物理學家海因里希赫茲對麥克斯韋的理論非常有信心，因此他在實驗室進行了實驗。1887年，他成功地產生并探測到了無線電波。
他的成功為麥克斯韋的理論贏得了更多的尊重。現(xiàn)在，他發(fā)現(xiàn)的無線電波被用于無線通信、無線電、雷達、通信衛(wèi)星、導航系統(tǒng)、計算機網絡等領域。雖然赫茲死于1894年，但在他的發(fā)現(xiàn)被廣泛應用之前，國際單位赫茲的電磁頻率是以他的名字命名的。
威廉·倫琴：X射線
赫茲發(fā)現(xiàn)的無線電波是麥克斯韋方程預測的長波電磁波。1895年，德國物理學家威廉·倫琴意外地發(fā)現(xiàn)了一種短波電磁波。
當倫琴讓陰極射線（電子束）通過玻璃管時，有一種未知的神秘射線，因此被倫琴命名為X射線。倫琴認為，他發(fā)現(xiàn)的射線可能是許多物理學家希望找到的一種新電磁波。他還發(fā)現(xiàn)，這個新的射線，類似于光，也可以產生陰影。多年以后倫琴發(fā)現(xiàn)的X射線最終成為了一個革命性的醫(yī)療技術基礎。
除了能夠診斷醫(yī)學影像外，X射線已成為天文學、生物學等領域的基礎研究工具。此外，X射線的發(fā)現(xiàn)打破了當時許多物理學家的自滿情緒，因為他們過去認為自己已經基本弄清了自然界的一切。順便說一句，X射線不是電磁波中最短的波長，伽馬射線的波長也比它們短。
路易·德布羅意：物質波
20世紀20年代初，法國物理學家路易斯·德布羅意根據(jù)類比法將光的波粒二象性推廣到所有粒子。他提出了物質波假說，認為每一個微粒都具有與光相同的波粒二象性。德布羅意終于在他的博士論文中寫下了他的觀點。
這可能有點奇怪，但愛因斯坦在讀了德布雷的論文后認為這是合理的。1927年，美國物理學家克頓·戴維森和萊斯特·戈默用100電子伏的電子束穿過鎳單晶表面，觀察到了電子衍射現(xiàn)象。繞射是波遇到障礙物時偏離原直線的物理現(xiàn)象。所以他們的實驗表明電子也有波動性。幾乎與此同時，英國物理學家喬治·湯姆森（George Thomson）用兩萬束電子束穿過多晶薄膜，觀察到了電子衍射現(xiàn)象。
德布羅意于1929年獲得諾貝爾物理學獎。后來，孫大衛(wèi)和湯姆森分享了1937年諾貝爾物理學獎。有趣的是，湯姆森的父親約瑟夫·湯姆森也因發(fā)現(xiàn)電子而獲得1906年諾貝爾物理學獎。20世紀30年代，德國物理學家恩斯特·羅斯卡還利用電子的波動特性設計了電子顯微鏡，并因此獲得了1986年諾貝爾物理學獎。
馬克斯·玻恩：物質波
描述機械波的波動方程可由牛頓力學方程給出。描述電磁波的波動方程是麥克斯韋方程組。那么描述物質波的波動方程是什么呢？
德布羅意理論提出后，許多物理學家開始尋求物質波的波動方程。1926年，奧地利物理學家薛定諤（Erwin Schrodinger）發(fā)現(xiàn)了波動方程，可以用來描述粒子狀態(tài)的變化，從而正確地描述氫原子中的電子行為。他的方程被稱為薛定諤方程，成為量子力學的基本方程之一。
電磁波是空間中電場和磁場的交變波。物質波代表什么物理量？我們要看看薛定諤方程是如何描述物質波的。
在薛定諤方程中，人們用一個稱為“波函數(shù)”的量來描述物質波的波特性，但一開始，沒有人知道波函數(shù)的物理意義是什么。不久前，德國物理學家、愛因斯坦的好朋友馬克斯·伯恩發(fā)現(xiàn)，波函數(shù)絕對值的平方給出了在某個時間、某個位置發(fā)現(xiàn)粒子的概率。因此，他認為物質波不同于機械波和電磁波，它是反映質點運動不確定性的概率波。
但德布羅意、薛定諤和愛因斯坦都不同意波恩的觀點。德布羅意還說，他從一開始就認為物質波是客觀的。直到今天，物理學家們還在爭論波函數(shù)的真正物理意義。
約翰·米歇爾：地震波
1755年，葡萄牙首都里斯本發(fā)生地震，這是人類歷史上破壞力最大、遇難人數(shù)最多的地震之一，估計遇難人數(shù)為6萬至10萬。同年，英國地質學家和天文學家約翰·米歇爾開始調查里斯本地震的原因。1760年，他得出結論，“地下火山”是地震的罪魁禍首。
米歇爾還首次提出，地震是以波的形式傳遞的。他還引述地震目擊者的話說，地面“就像大海的海浪”。后來，地震學家對震動地球的地震波有了更準確的了解，他們可以推斷出地球的內部結構。
LIGO：引力波
在愛因斯坦完成廣義相對論之后，他認識到了引力波的可能性——一種由空間和空間本身的振動引起的漣漪。他可能沒有想到，物理學家在一個世紀后花費了超過10億美元來探測這種時空漣漪。早在2015年9月，分別位于路易斯安那州和華盛頓州的兩個激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次觀測到一對黑洞合并產生的引力波。
這無疑是科學史上最重要的發(fā)現(xiàn)之一。由于引力波是空間和空間本身的漣漪，它們幾乎可以穿過宇宙的任何區(qū)域，因此天文學家可以利用引力波觀測其他傳統(tǒng)方法無法探測到的天文事件，如觀測超新星核心或大爆炸一秒鐘的前半部分。所以引力波為我們了解宇宙打開了一扇新的窗口。
