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盘点物理学家对于自然界中“波”的9大发现!

对于物理学家来说,“波”是自然界中最重要的物理现象之一。从热、光、广播和电视到音乐、地震和全息图,波在许多物理过程中起着重要作用。许多科学们最伟大的成就是关于对波这种自然现象的见解。

以下是九个关于“波”的发现!

迈克尔逊和莫理:“没有以太”

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声波的传播需要依靠空气,水波的传播需要依靠水等。受经典力学的影响,科学家们假设宇宙中到处都有一种叫做以太的物质,用来传播光。

早在1887年,美国科学家艾伯特·迈克尔森和爱德华·默里设计了一个实验来探测以太物质。由于地球以每秒30公里左右的速度绕太阳运行,因此必须遭遇每秒30公里左右的“天风”,这将对光的传播产生影响。地球运动方向的光速应与直角方向的光速不同。但他们的发现并没有揭示任何以太效应。他们最初认为实验本身可能有缺陷。但后来爱因斯坦提出根本没有以太体。

托马斯·杨:光波

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在18世纪,科学家们争论光的本质是什么。艾萨克牛顿曾经主张光由非常小的粒子组成。与他同时代的荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯(Christian Huygens)强烈反对他认为光是以波的形式传播的。

一个世纪后,英国物理学家托马斯·杨解决了关于光的性质的长期争论。他通过一系列巧妙的实验证明了光是一种波,而且证据确凿。在一次实验中,托马斯·杨在一张厚纸上戳了两个孔,发现光线穿过两个孔后,在纸张后面的另一张纸表面形成了一系列明暗相间的条纹。这是因为光通过两个孔的干涉会像水波一样干涉。如果光是由粒子组成的,则只会形成两个亮点。然而,杨未能从数学上描述光波,许多牛顿的支持者仍然拒绝接受杨的观点。

但很快,法国物理学家奥古斯丁·让·菲涅尔就详细计算了光是如何在波中传播的。此外,根据牛顿理论,光在水和空气的界面处折射,因为光的粒子被水的一面吸引。这意味着轻粒子在水中的速度必须更快。但是在1850年,法国物理学家利昂·福柯测量到光在空气中的传播速度远低于它的速度。所以即使是最坚定的牛顿支持者也不得不投降。如果牛顿当时还活着,他会承认光是一种波。

但是经过很长一段时间,爱因斯坦发现光实际上是由一种叫做光子的粒子组成。最后,物理学家们认识到光同时具有波和粒子的性质,这就是所谓的“波粒二象性”。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦:电磁波

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英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦死于1879年,也就是爱因斯坦出生的那一年,所以他不知道“没有以太”。当时,他认为电和磁是某种以太介质中的力。

麦克斯韦认识到,在这种介质中,一个振荡场产生振荡磁场,一个振荡场产生振荡电场,振荡电场与连续恒相振荡电场和磁场一起形成电磁波。根据他自己的方程(麦克斯韦方程组),电磁波的速度可以达到每秒3.1亿米,这与实测的光速(每秒298毫米到315毫米)非常接近。麦克斯韦认为世界上没有巧合,所以他得出结论,光是一种电磁波。

麦克斯韦在1864年写道:“我们似乎有充分的理由得出这样的结论:光本身(包括热辐射和其他辐射,如果有的话)是电磁场中以波的形式存在的电磁干扰。”然后,还有许多其他电磁波,包括伽马辐射、X射线、无线电波等。

海因里希·赫兹:无线电波

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一开始没多少人把麦克斯韦当回事。然而,另外一些物理学家早已追随麦克斯韦的步伐,完善了他的理论。德国物理学家海因里希赫兹对麦克斯韦的理论非常有信心,因此他在实验室进行了实验。1887年,他成功地产生并探测到了无线电波。

他的成功为麦克斯韦的理论赢得了更多的尊重。现在,他发现的无线电波被用于无线通信、无线电、雷达、通信卫星、导航系统、计算机网络等领域。

虽然赫兹死于1894年,但在他的发现被广泛应用之前,国际单位赫兹的电磁频率是以他的名字命名的。

威廉·伦琴:X射线

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赫兹发现的无线电波是麦克斯韦方程预测的长波电磁波。1895年,德国物理学家威廉·伦琴意外地发现了一种短波电磁波。

当伦琴让阴极射线(电子束)通过玻璃管时,有一种未知的神秘射线,因此被伦琴命名为X射线。伦琴认为,他发现的射线可能是许多物理学家希望找到的一种新电磁波。他还发现,这个新的射线,类似于光,也可以产生阴影。多年以后伦琴发现的X射线最终成为了一个革命性的医疗技术基础。

除了能够诊断医学影像外,X射线已成为天文学、生物学等领域的基础研究工具。此外,X射线的发现打破了当时许多物理学家的自满情绪,因为他们过去认为自己已经基本弄清了自然界的一切。顺便说一句,X射线不是电磁波中最短的波长,伽马射线的波长也比它们短。

路易·德布罗意:物质波

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20世纪20年代初,法国物理学家路易斯·德布罗意根据类比法将光的波粒二象性推广到所有粒子。他提出了物质波假说,认为每一个微粒都具有与光相同的波粒二象性。德布罗意终于在他的博士论文中写下了他的观点。

这可能有点奇怪,但爱因斯坦在读了德布雷的论文后认为这是合理的。1927年,美国物理学家克顿·戴维森和莱斯特·戈默用100电子伏的电子束穿过镍单晶表面,观察到了电子衍射现象。绕射是波遇到障碍物时偏离原直线的物理现象。所以他们的实验表明电子也有波动性。几乎与此同时,英国物理学家乔治·汤姆森(George Thomson)用两万束电子束穿过多晶薄膜,观察到了电子衍射现象。

德布罗意于1929年获得诺贝尔物理学奖。后来,孙大卫和汤姆森分享了1937年诺贝尔物理学奖。有趣的是,汤姆森的父亲约瑟夫·汤姆森也因发现电子而获得1906年诺贝尔物理学奖。20世纪30年代,德国物理学家恩斯特·罗斯卡还利用电子的波动特性设计了电子显微镜,并因此获得了1986年诺贝尔物理学奖。

马克斯·玻恩:物质波

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描述机械波的波动方程可由牛顿力学方程给出。描述电磁波的波动方程是麦克斯韦方程组。那么描述物质波的波动方程是什么呢?

德布罗意理论提出后,许多物理学家开始寻求物质波的波动方程。1926年,奥地利物理学家薛定谔(Erwin Schrodinger)发现了波动方程,可以用来描述粒子状态的变化,从而正确地描述氢原子中的电子行为。他的方程被称为薛定谔方程,成为量子力学的基本方程之一。

电磁波是空间中电场和磁场的交变波。物质波代表什么物理量?我们要看看薛定谔方程是如何描述物质波的。

在薛定谔方程中,人们用一个称为“波函数”的量来描述物质波的波特性,但一开始,没有人知道波函数的物理意义是什么。不久前,德国物理学家、爱因斯坦的好朋友马克斯·伯恩发现,波函数绝对值的平方给出了在某个时间、某个位置发现粒子的概率。因此,他认为物质波不同于机械波和电磁波,它是反映质点运动不确定性的概率波。

但德布罗意、薛定谔和爱因斯坦都不同意波恩的观点。德布罗意还说,他从一开始就认为物质波是客观的。直到今天,物理学家们还在争论波函数的真正物理意义。

约翰·米歇尔:地震波

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1755年,葡萄牙首都里斯本发生地震,这是人类历史上破坏力最大、遇难人数最多的地震之一,估计遇难人数为6万至10万。同年,英国地质学家和天文学家约翰·米歇尔开始调查里斯本地震的原因。1760年,他得出结论,“地下火山”是地震的罪魁祸首。

米歇尔还首次提出,地震是以波的形式传递的。他还引述地震目击者的话说,地面“就像大海的海浪”。后来,地震学家对震动地球的地震波有了更准确的了解,他们可以推断出地球的内部结构。

LIGO:引力波

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在爱因斯坦完成广义相对论之后,他认识到了引力波的可能性——一种由空间和空间本身的振动引起的涟漪。他可能没有想到,物理学家在一个世纪后花费了超过10亿美元来探测这种时空涟漪。早在2015年9月,分别位于路易斯安那州和华盛顿州的两个激光干涉引力波天文台(LIGO)首次观测到一对黑洞合并产生的引力波。

这无疑是科学史上最重要的发现之一。由于引力波是空间和空间本身的涟漪,它们几乎可以穿过宇宙的任何区域,因此天文学家可以利用引力波观测其他传统方法无法探测到的天文事件,如观测超新星核心或大爆炸一秒钟的前半部分。所以引力波为我们了解宇宙打开了一扇新的窗口。

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