爱因斯坦(6)

六

　　给微粒说以致命打击的，是对光速值的精确测定。牛顿和惠更斯在解释光的折射现象时，对于水中光速的假设是截然相反的。牛顿根据微粒说认为，光在水中速度大于在空气中的速度；惠更斯根据波动说则认为，光在水中的速度应小于在空气中的速度。19世纪中叶，法国物理学家斐索和傅科，分别采用高速旋转的齿轮和镜子，先后精确地测出光在水中的传播速度。实验指出，光在水中比在空气中传播得慢。这对波动说是一个极大的支持，波动说获得了新生。

　　正当波动说捷报频传的时候，光的电磁理论的建立又使其锦上添花。19世纪60年代，麦克斯韦总结了电磁现象的基本规律，建立起完整的电磁场理论，预言了电磁波的存在。经过准确计算，麦克斯韦发现，电磁波的传播速度等于光速，电磁波与波动说所认为的光速一样是横波。由此他指出，光是一种电磁现象，光波是一种波长较短的电磁波。这就是光的电磁说。到了80年代，德国物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在，并证明电磁波确实同光一样，能够产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。利用光的电磁说，对于以前发现的各种光学现象，都可以作出圆满的解释。这使得波动说在与微粒说的论战中，取得了无可争辩的胜利。

　　光的波动说的疑难

　　正当波动说欢庆辉煌胜利、踌躇满志地坚信光就是一种波动的时候，意外的事情发生了。置波动说于死地的新的实验事实，如以太存在的否定和光电效应的发现，像晴天霹雳从天而降。

　　以太是波动说作为光波传播的介质而提出来的。前面曾说过，把以太看作是光传播的介质，这本身就充满着混乱和矛盾。然而物理学家们始终不愿轻易放弃以太存在的想法。为了验证以太的存在，寻找物体相对于以太的绝对运动，许多物理学家做了各式各样的实验。其中最著名的是迈克尔逊—莫雷实验。这个实验是根据麦克斯韦死前提出的设想设计出来的。麦克斯韦指出，如果地球相对于静止的以太运动，那末，沿地球运动方向发出一个光信号到一定距离又反射回来，在整个路程往返所需的时间应稍小于同样的光信号沿垂直于地球运动的方向发射到相等距离往返所需要的时间。

　　1881年美国物理学家迈克尔逊利用他发明的干涉仪，用光的干涉方法来检验这种在互相垂直的两个方向传播的时间。1887年他同莫雷合作，进一步改进了这个实验，提高了实验的精确度。实验原理如图1所示。干涉仪的两臂l1和l2相等。单色光源S发出的光束行至半透明的玻璃片A，分成互相垂直的两股，其中一股透过A射到反射镜D，反射回到A，然后被反射进入望远镜E；另一股光速被A反射到反射镜B，又被B反射回到A，然后透过A也进入望远镜E。先假定地球携带干涉仪以速度V向AD方向运动，那末由于V的存在，将使通过ABAE与ADAE的两股光束产生一个时间差△t，在望远镜中将会看到干涉条纹；然后将仪器旋转90°，使l垂直于地球运动的方向，此时两个路线上光传播的时间差为△t′。△t′—△t为时间差的变化，这个时间差的变化将会引起干涉条纹的移动。根据计算，这种移动相当于可见光波长的0.4倍。因此在望远镜中应该看到干涉条纹的明显移动。

　　虽然实验本身达到了很高的精度，但在实验中，迈克尔逊和莫雷并未观察到预期的干涉条纹的移动。这个实验被许多人重复，但都得出相同的结果，这一结果称为“零”结果。它否定了以太风，也证明地球周围根本不存在什么以太。没有以太，光波或电磁波又是如何传播的呢？这是波动说难以克服的困难。

　　迈克尔逊—莫雷实验的意义远不止于此，它还激发了物理学中另一个更加伟大的革命。

　　光量子论——光的波粒二象性

　　引起波动说另一个难以克服的困难的物理事实是光电效应的发现。历史在这里似乎开了一个玩笑，发现光电效应的正是那须用实验验证麦克斯韦电磁波理论的德国物理学家赫兹。

　　所谓光电效应，就是物质（主要是金属）在光的照射下，从表面释放出电子的现象。所释放的电子叫做光电子。例如，在验电器上安装一块擦得很亮的锌板，并使它带负电。验电器的指针便张开一个角度；然后用紫外光照射锌板，验电器的指针立即合拢，表示锌板所带的负电荷已经失去。假如原先使锌板带正电，重做上面实验，则不发生指针合拢现象。大量实验证明，在光的照射下从金属板上跑出来的负电荷就是电子。进一步的实验指出，光电效应的发生，只跟入射光的频率有关。

　　对一定的金属来说，存在一个特定的频率，只有用比这个频率高的光来照射，才能引起光电子的发射；而如果用频率较低的光来照射，则无论光多强，照射的时间多长，都不能使金属放出电子。同时，从金属板释放出的光电子，其速度或能量随着入射光频率的增高而增大，与入射光的强度无关，入射光的强度只影响释放出光电子的数目的多少。另外，只要入射光的频率足够高，不管它强度多弱，都有光电现象产生。

　　光电效应用光的波动说无法理解。按照光的波动理论，光波的能量是连续的，只跟光波的振幅即强度有关，而与光的频率无关。就是说，无论什么频率的光，只要强度足够大，都应能释放出光电子，而且光的强度越大，释放出的光电子的能量也越大。而事实却与此相反。波动说陷入了不可解脱的困境。

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