對(duì)于物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，“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(lè)、地震和全息圖，波在許多物理過(guò)程中起著重要作用。許多科學(xué)們最偉大的成就是關(guān)于對(duì)波這種自然現(xiàn)象的見(jiàn)解。
以下是九個(gè)關(guān)于“波”的發(fā)現(xiàn)！
邁克爾遜和莫理：“沒(méi)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(jīng)典力學(xué)的影響，科學(xué)家們假設(shè)宇宙中到處都有一種叫做以太的物質(zhì)，用來(lái)傳播光。
早在1887年，美國(guó)科學(xué)家艾伯特·邁克爾森和愛(ài)德華·默里設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)探測(cè)以太物質(zhì)。由于地球以每秒30公里左右的速度繞太陽(yáng)運(yùn)行，因此必須遭遇每秒30公里左右的“天風(fēng)”，這將對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。地球運(yùn)動(dòng)方向的光速應(yīng)與直角方向的光速不同。但他們的發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有揭示任何以太效應(yīng)。他們最初認(rèn)為實(shí)驗(yàn)本身可能有缺陷。但后來(lái)愛(ài)因斯坦提出根本沒(méi)有以太體。
托馬斯·楊：光波
在18世紀(jì)，科學(xué)家們爭(zhēng)論光的本質(zhì)是什么。艾薩克牛頓曾經(jīng)主張光由非常小的粒子組成。與他同時(shí)代的荷蘭物理學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Christian Huygens）強(qiáng)烈反對(duì)他認(rèn)為光是以波的形式傳播的。
一個(gè)世紀(jì)后，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊解決了關(guān)于光的性質(zhì)的長(zhǎng)期爭(zhēng)論。他通過(guò)一系列巧妙的實(shí)驗(yàn)證明了光是一種波，而且證據(jù)確鑿。在一次實(shí)驗(yàn)中，托馬斯·楊在一張厚紙上戳了兩個(gè)孔，發(fā)現(xiàn)光線穿過(guò)兩個(gè)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?yàn)楣馔ㄟ^(guò)兩個(gè)孔的干涉會(huì)像水波一樣干涉。如果光是由粒子組成的，則只會(huì)形成兩個(gè)亮點(diǎn)。然而，楊未能從數(shù)學(xué)上描述光波，許多牛頓的支持者仍然拒絕接受楊的觀點(diǎn)。
但很快，法國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W古斯丁·讓·菲涅爾就詳細(xì)計(jì)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?yàn)楣獾牧Ｗ颖凰囊幻嫖＿@意味著輕粒子在水中的速度必須更快。但是在1850年，法國(guó)物理學(xué)家利昂·福柯測(cè)量到光在空氣中的傳播速度遠(yuǎn)低于它的速度。所以即使是最堅(jiān)定的牛頓支持者也不得不投降。如果牛頓當(dāng)時(shí)還活著，他會(huì)承認(rèn)光是一種波。
但是經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)間，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)光實(shí)際上是由一種叫做光子的粒子組成。最后，物理學(xué)家們認(rèn)識(shí)到光同時(shí)具有波和粒子的性質(zhì)，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(guó)物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋死于1879年，也就是愛(ài)因斯坦出生的那一年，所以他不知道“沒(méi)有以太”。當(dāng)時(shí)，他認(rèn)為電和磁是某種以太介質(zhì)中的力。
麥克斯韋認(rèn)識(shí)到，在這種介質(zhì)中，一個(gè)振蕩場(chǎng)產(chǎn)生振蕩磁場(chǎng)，一個(gè)振蕩場(chǎng)產(chǎn)生振蕩電場(chǎng)，振蕩電場(chǎng)與連續(xù)恒相振蕩電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(dá)到每秒3.1億米，這與實(shí)測(cè)的光速（每秒298毫米到315毫米）非常接近。麥克斯韋認(rèn)為世界上沒(méi)有巧合，所以他得出結(jié)論，光是一種電磁波。
麥克斯韋在1864年寫(xiě)道：“我們似乎有充分的理由得出這樣的結(jié)論：光本身（包括熱輻射和其他輻射，如果有的話）是電磁場(chǎng)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(wú)線電波等。
海因里希·赫茲：無(wú)線電波
一開(kāi)始沒(méi)多少人把麥克斯韋當(dāng)回事。然而，另外一些物理學(xué)家早已追隨麥克斯韋的步伐，完善了他的理論。德國(guó)物理學(xué)家海因里希赫茲對(duì)麥克斯韋的理論非常有信心，因此他在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。1887年，他成功地產(chǎn)生并探測(cè)到了無(wú)線電波。
他的成功為麥克斯韋的理論贏得了更多的尊重�，F(xiàn)在，他發(fā)現(xiàn)的無(wú)線電波被用于無(wú)線通信、無(wú)線電、雷達(dá)、通信衛(wèi)星、導(dǎo)航系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。雖然赫茲死于1894年，但在他的發(fā)現(xiàn)被廣泛應(yīng)用之前，國(guó)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(wú)線電波是麥克斯韋方程預(yù)測(cè)的長(zhǎng)波電磁波。1895年，德國(guó)物理學(xué)家威廉·倫琴意外地發(fā)現(xiàn)了一種短波電磁波。
當(dāng)倫琴讓陰極射線（電子束）通過(guò)玻璃管時(shí)，有一種未知的神秘射線，因此被倫琴命名為X射線。倫琴認(rèn)為，他發(fā)現(xiàn)的射線可能是許多物理學(xué)家希望找到的一種新電磁波。他還發(fā)現(xiàn)，這個(gè)新的射線，類似于光，也可以產(chǎn)生陰影。多年以后倫琴發(fā)現(xiàn)的X射線最終成為了一個(gè)革命性的醫(yī)療技術(shù)基礎(chǔ)。
除了能夠診斷醫(yī)學(xué)影像外，X射線已成為天文學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究工具。此外，X射線的發(fā)現(xiàn)打破了當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家的自滿情緒，因?yàn)樗麄冞^(guò)去認(rèn)為自己已經(jīng)基本弄清了自然界的一切。順便說(shuō)一句，X射線不是電磁波中最短的波長(zhǎng)，伽馬射線的波長(zhǎng)也比它們短。
路易·德布羅意：物質(zhì)波
20世紀(jì)20年代初，法國(guó)物理學(xué)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(zhì)波假說(shuō)，認(rèn)為每一個(gè)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(xiě)下了他的觀點(diǎn)。
這可能有點(diǎn)奇怪，但愛(ài)因斯坦在讀了德布雷的論文后認(rèn)為這是合理的。1927年，美國(guó)物理學(xué)家克頓·戴維森和萊斯特·戈默用100電子伏的電子束穿過(guò)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(shí)偏離原直線的物理現(xiàn)象。所以他們的實(shí)驗(yàn)表明電子也有波動(dòng)性。幾乎與此同時(shí)，英國(guó)物理學(xué)家喬治·湯姆森（George Thomson）用兩萬(wàn)束電子束穿過(guò)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(xué)獎(jiǎng)。后來(lái)，孫大衛(wèi)和湯姆森分享了1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。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(xué)獎(jiǎng)。20世紀(jì)30年代，德國(guó)物理學(xué)家恩斯特·羅斯卡還利用電子的波動(dòng)特性設(shè)計(jì)了電子顯微鏡，并因此獲得了1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
馬克斯·玻恩：物質(zhì)波
描述機(jī)械波的波動(dòng)方程可由牛頓力學(xué)方程給出。描述電磁波的波動(dòng)方程是麥克斯韋方程組。那么描述物質(zhì)波的波動(dòng)方程是什么呢？
德布羅意理論提出后，許多物理學(xué)家開(kāi)始尋求物質(zhì)波的波動(dòng)方程。1926年，奧地利物理學(xué)家薛定諤（Erwin Schrodinger）發(fā)現(xiàn)了波動(dòng)方程，可以用來(lái)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(xué)的基本方程之一。
電磁波是空間中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交變波。物質(zhì)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(zhì)波的。
在薛定諤方程中，人們用一個(gè)稱為“波函數(shù)”的量來(lái)描述物質(zhì)波的波特性，但一開(kāi)始，沒(méi)有人知道波函數(shù)的物理意義是什么。不久前，德國(guó)物理學(xué)家、愛(ài)因斯坦的好朋友馬克斯·伯恩發(fā)現(xiàn)，波函數(shù)絕對(duì)值的平方給出了在某個(gè)時(shí)間、某個(gè)位置發(fā)現(xiàn)粒子的概率。因此，他認(rèn)為物質(zhì)波不同于機(jī)械波和電磁波，它是反映質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不確定性的概率波。
但德布羅意、薛定諤和愛(ài)因斯坦都不同意波恩的觀點(diǎn)。德布羅意還說(shuō)，他從一開(kāi)始就認(rèn)為物質(zhì)波是客觀的。直到今天，物理學(xué)家們還在爭(zhēng)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(jì)遇難人數(shù)為6萬(wàn)至10萬(wàn)。同年，英國(guó)地質(zhì)學(xué)家和天文學(xué)家約翰·米歇爾開(kāi)始調(diào)查里斯本地震的原因。1760年，他得出結(jié)論，“地下火山”是地震的罪魁禍?zhǔn)住?/p>
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(shuō)，地面“就像大海的海浪”。后來(lái)，地震學(xué)家對(duì)震動(dòng)地球的地震波有了更準(zhǔn)確的了解，他們可以推斷出地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
LIGO：引力波
在愛(ài)因斯坦完成廣義相對(duì)論之后，他認(rèn)識(shí)到了引力波的可能性——一種由空間和空間本身的振動(dòng)引起的漣漪。他可能沒(méi)有想到，物理學(xué)家在一個(gè)世紀(jì)后花費(fèi)了超過(guò)10億美元來(lái)探測(cè)這種時(shí)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(gè)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）首次觀測(cè)到一對(duì)黑洞合并產(chǎn)生的引力波。
這無(wú)疑是科學(xué)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(guò)宇宙的任何區(qū)域，因此天文學(xué)家可以利用引力波觀測(cè)其他傳統(tǒng)方法無(wú)法探測(cè)到的天文事件，如觀測(cè)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(kāi)了一扇新的窗口。
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