愛因斯坦(6)_學達書庫

六

　　給微粒說以致命打擊的，是對光速值的精確測定。牛頓和惠更斯在解釋光的折射現象時，對於水中光速的假設是截然相反的。牛頓根據微粒說認為，光在水中速度大於在空氣中的速度；惠更斯根據波動說則認為，光在水中的速度應小於在空氣中的速度。19世紀中葉，法國物理學家斐索和傅科，分別採用高速旋轉的齒輪和鏡子，先後精確地測出光在水中的傳播速度。實驗指出，光在水中比在空氣中傳播得慢。這對波動說是一個極大的支持，波動說獲得了新生。

　　正當波動說捷報頻傳的時候，光的電磁理論的建立又使其錦上添花。19世紀60年代，麥克斯韋總結了電磁現象的基本規律，建立起完整的電磁場理論，預言了電磁波的存在。經過準確計算，麥克斯韋發現，電磁波的傳播速度等於光速，電磁波與波動說所認為的光速一樣是橫波。由此他指出，光是一種電磁現象，光波是一種波長較短的電磁波。這就是光的電磁說。到了80年代，德國物理學家赫茲通過實驗證實了電磁波的存在，並證明電磁波確實同光一樣，能夠產生反射、折射、干涉、衍射和偏振等現象。利用光的電磁說，對於以前發現的各種光學現象，都可以作出圓滿的解釋。這使得波動說在與微粒說的論戰中，取得了無可爭辯的勝利。

　　光的波動說的疑難

　　正當波動說歡慶輝煌勝利、躊躇滿志地堅信光就是一種波動的時候，意外的事情發生了。置波動說於死地的新的實驗事實，如以太存在的否定和光電效應的發現，像晴天霹靂從天而降。

　　以太是波動說作為光波傳播的介質而提出來的。前面曾說過，把以太看作是光傳播的介質，這本身就充滿著混亂和矛盾。然而物理學家們始終不願輕易放棄以太存在的想法。為了驗證以太的存在，尋找物體相對於以太的絕對運動，許多物理學家做了各式各樣的實驗。其中最著名的是邁克爾遜—莫雷實驗。這個實驗是根據麥克斯韋死前提出的設想設計出來的。麥克斯韋指出，如果地球相對於靜止的以太運動，那末，沿地球運動方向發出一個光信號到一定距離又反射回來，在整個路程往返所需的時間應稍小於同樣的光信號沿垂直於地球運動的方向發射到相等距離往返所需要的時間。

　　1881年美國物理學家邁克爾遜利用他發明的干涉儀，用光的干涉方法來檢驗這種在互相垂直的兩個方向傳播的時間。1887年他同莫雷合作，進一步改進了這個實驗，提高了實驗的精確度。實驗原理如圖1所示。干涉儀的兩臂l1和l2相等。單色光源S發出的光束行至半透明的玻璃片A，分成互相垂直的兩股，其中一股透過A射到反射鏡D，反射回到A，然後被反射進入望遠鏡E；另一股光速被A反射到反射鏡B，又被B反射回到A，然後透過A也進入望遠鏡E。先假定地球攜帶干涉儀以速度V向AD方向運動，那末由於V的存在，將使通過ABAE與ADAE的兩股光束產生一個時間差△t，在望遠鏡中將會看到干涉條紋；然後將儀器旋轉90°，使l垂直於地球運動的方向，此時兩個路線上光傳播的時間差為△t′。△t′—△t為時間差的變化，這個時間差的變化將會引起干涉條紋的移動。根據計算，這種移動相當於可見光波長的0.4倍。因此在望遠鏡中應該看到干涉條紋的明顯移動。

　　雖然實驗本身達到了很高的精度，但在實驗中，邁克爾遜和莫雷並未觀察到預期的干涉條紋的移動。這個實驗被許多人重複，但都得出相同的結果，這一結果稱為「零」結果。它否定了以太風，也證明地球周圍根本不存在什麼以太。沒有以太，光波或電磁波又是如何傳播的呢？這是波動說難以克服的困難。

　　邁克爾遜—莫雷實驗的意義遠不止於此，它還激發了物理學中另一個更加偉大的革命。

　　光量子論——光的波粒二象性

　　引起波動說另一個難以克服的困難的物理事實是光電效應的發現。歷史在這裡似乎開了一個玩笑，發現光電效應的正是那須用實驗驗證麥克斯韋電磁波理論的德國物理學家赫茲。

　　所謂光電效應，就是物質（主要是金屬）在光的照射下，從表面釋放出電子的現象。所釋放的電子叫做光電子。例如，在驗電器上安裝一塊擦得很亮的鋅板，並使它帶負電。驗電器的指針便張開一個角度；然後用紫外光照射鋅板，驗電器的指針立即合攏，表示鋅板所帶的負電荷已經失去。假如原先使鋅板帶正電，重做上面實驗，則不發生指針合攏現象。大量實驗證明，在光的照射下從金屬板上跑出來的負電荷就是電子。進一步的實驗指出，光電效應的發生，只跟入射光的頻率有關。

　　對一定的金屬來說，存在一個特定的頻率，只有用比這個頻率高的光來照射，才能引起光電子的發射；而如果用頻率較低的光來照射，則無論光多強，照射的時間多長，都不能使金屬放出電子。同時，從金屬板釋放出的光電子，其速度或能量隨著入射光頻率的增高而增大，與入射光的強度無關，入射光的強度只影響釋放出光電子的數目的多少。另外，只要入射光的頻率足夠高，不管它強度多弱，都有光電現象產生。

　　光電效應用光的波動說無法理解。按照光的波動理論，光波的能量是連續的，只跟光波的振幅即強度有關，而與光的頻率無關。就是說，無論什麼頻率的光，只要強度足夠大，都應能釋放出光電子，而且光的強度越大，釋放出的光電子的能量也越大。而事實卻與此相反。波動說陷入了不可解脫的困境。

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