波動(dòng)理論的勝利
揚(yáng)根據(jù)通過水塘表面水波的運(yùn)動(dòng)知識(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了是否光也同樣地傳播。我們都知道水波是什么樣的，雖然為了精確分析起見考慮的是小波而非大波。波的明顯特征是在波傳過時(shí)會(huì)抬高水位然后又壓低水位；波峰高出平靜的水面的高度為它的波幅，對(duì)理想的波來說，波傳過時(shí)，水面被壓下的幅度也與之相同。一系列波紋，就像在水塘中扔下一顆石子激起的漣漪那樣，一個(gè)接一個(gè)具有相等的問題，此間距叫做波長(zhǎng)，可表示為從一個(gè)波峰到另一個(gè)波峰的距離。當(dāng)石子落入水塘?xí)r，激起的波紋環(huán)繞著源點(diǎn)，從中心向外一圈圈地傳播；可是海中的波浪或在湖中由風(fēng)拂起的水波由系列平行直線一條接一條地向前傳播。這兩種方式下，一秒鐘內(nèi)通過一個(gè)固定點(diǎn)——比如說石頭的波峰數(shù)是個(gè)不變的數(shù)目，稱為波的頻率。頻率表示一秒鐘通過的波紋數(shù)，因此每一個(gè)波峰向前運(yùn)動(dòng)的速度都是波長(zhǎng)乘以頻率。
關(guān)鍵性的試驗(yàn)從平行波開始，正如到達(dá)海岸線之前波線一樣。你可以想象在水塘中扔一塊石子而在遠(yuǎn)處觀察它激發(fā)出來的波紋。發(fā)出的小波的圓周越來越大，在離源點(diǎn)足夠遠(yuǎn)的地方，波紋就像是平行的直線一樣。因?yàn)楹茈y察覺到圍繞擾動(dòng)點(diǎn)的大圓的曲率來。這就很容易考察當(dāng)波遇到它傳播路徑上的障礙物時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么情況。如果障礙物很小，由于散射，波會(huì)繞過它在它后面重新充滿，留下很小的“影子”；但是如果障礙物比波的波長(zhǎng)大得多時(shí)，它們?cè)谡系K物后面僅僅彎進(jìn)去一點(diǎn)點(diǎn)，留下一大塊未擾動(dòng)的水面。如果光是波的話，仍然可以具有棱角鮮明的影子，只要光的波長(zhǎng)比這個(gè)物體的大小小得多的就行。
現(xiàn)在將這個(gè)問題倒過來思考。設(shè)想一系列細(xì)微的平面波在水槽中傳播，遇到的不是一個(gè)障礙物而是一道墻，只不過墻的中間開了一個(gè)小孔。如果小孔直徑比波長(zhǎng)大得多，那么只有對(duì)著小孔區(qū)域的波能穿過，而大多數(shù)波紋，如同沖向碼頭的水波，無法穿墻而過。可是如果墻上孔的直徑很小，那么這個(gè)小孔就會(huì)成為新的環(huán)狀波的一個(gè)波源，就如在那里扔下了一塊石頭。波紋漸漸遠(yuǎn)離墻面，所形成的圓形波（確切地說是半圓形的）就在原先平靜的水面上傳播。
好，現(xiàn)在我們可以談到揚(yáng)的實(shí)驗(yàn)了。設(shè)想象前述那樣，平行水波傳過水槽遇到一個(gè)阻板，在這個(gè)阻板上有兩個(gè)孔。每個(gè)孔都成為一個(gè)激發(fā)半圓波的新波源，兩列波都源于阻板的同一側(cè)而向另一側(cè)傳播，它們不但頻率相同，而且總是同相，在水面上傳播形成較為復(fù)雜的漣漪圖案。波在某處疊加，當(dāng)兩列波都處于波峰，我們得到增強(qiáng)的波峰，當(dāng)一列波處于波峰，另一列波處于波谷，它們相互抵消。這種效應(yīng)被分別稱為相增干涉和相消干涉。由這種效應(yīng)很容易看到，只要在水塘中同時(shí)扔下兩塊石子就可以了。如果光是波動(dòng)的話，那么等效的實(shí)驗(yàn)就可以形成波紋的干涉條紋，這正是揚(yáng)發(fā)現(xiàn)的。
揚(yáng)將一束光照到具有兩個(gè)狹縫的阻擋屏上，在屏的后面，光從兩個(gè)小孔傳播出來并相互干涉。如果光同水波一樣也是波的話，那么由于相增干涉和相消干涉，在阻擋屏之后會(huì)形成明暗交錯(cuò)的區(qū)域。當(dāng)揚(yáng)將一個(gè)白屏放在窄縫之后，剛好看到他所尋找的——明暗相間的條紋。
可是揚(yáng)的實(shí)驗(yàn)并未引起科學(xué)界的興趣，特別在英國(guó)，創(chuàng)立任何被認(rèn)為與牛頓觀點(diǎn)相悖的理論幾乎都會(huì)被認(rèn)定為是異教徒的行為。牛頓逝世于1727年，在1705年，也就是離揚(yáng)宣布他的發(fā)現(xiàn)不到一百年，牛頓是第一個(gè)因科學(xué)研究工作而被封為騎士的。在英國(guó)破除這個(gè)偶像還為時(shí)過早，而在拿破侖戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期也許這是適合時(shí)宜的，于是法國(guó)人奧古斯汀·菲涅爾拾起他的“叛逆”思想，最終確立了光的波動(dòng)學(xué)說。菲涅爾的工作雖比揚(yáng)晚幾年，但比揚(yáng)的工作更完善，實(shí)際上，他幾乎對(duì)光各個(gè)方面的現(xiàn)象用波動(dòng)性來予以解釋。除此之外，他還解釋了對(duì)我們來說非常熟悉的日常現(xiàn)象——光照射到油膜上產(chǎn)生非常美麗的反射色彩。這個(gè)過程同樣出于光的干涉。一部分光直接由油膜的上層反射回來，另一部分光透過油膜，從底層反射出來。因此，存在兩束不同的反射光，它們之間相互干涉。由于每種顏色的光具有各不相同的波長(zhǎng)，白光是由彩虹般的七色光疊加而成的，因此，從油膜上反射出來的白光能產(chǎn)生七色光的相增干涉或相消干涉，其效應(yīng)依賴于眼睛相對(duì)于油膜的位置。
萊昂·傅科是一位法國(guó)物理學(xué)家，他最著名的發(fā)明是顯示地球自轉(zhuǎn)的傅科擺，在19世紀(jì)中葉提出了與牛頓粒子說相反的斷言：光在水中的傳播速度比在空氣中傳播的速度要慢，這也是一些著名科學(xué)家曾經(jīng)所預(yù)計(jì)的。那時(shí)候，人人知道光是能在以太中傳播的波，不管它是怎么進(jìn)行的，可是要能夠弄清楚在光流中是什么“波”在傳播就更好了。從19世紀(jì)60年代到19世紀(jì)70年代，蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋建立的電磁場(chǎng)理論，將電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來，至此光的理論得以完善。麥克斯韋斷言存在電磁輻射，磁和電的強(qiáng)度變化像水波那樣峰谷交替。1888年，德國(guó)物理學(xué)家海因里希·赫茲成功地發(fā)射并接收了作為電波的電磁輻射，這種電波與光相同只不過具有更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。經(jīng)歷牛頓和伽利略年代以來的一百多年，科學(xué)思想上最偉大的革命的沖擊致使光的波動(dòng)說趨于完善。在19世紀(jì)末期，有個(gè)天才或傻子想到了光是粒子，這個(gè)人叫阿爾伯特·愛因斯坦；我們?cè)诶斫馑我赃~出這勇敢的一步時(shí)，需要有一些19世紀(jì)物理學(xué)思路的背景知識(shí)。