经典物理膨胀VIP免费

经典物理膨胀在牛顿之后的两个世纪中，物理学的范围迅速变大。在牛顿时代光学已经发展得很好，牛顿自己也是主要贡献者之一。但是在随后的17、18世纪，物理世界的知识扩展到包括热学、声学、电学和磁学等领域。起初，象力学和光学都被看作是独立的研究领域，但是随后发生了一些重要的事情：人们开始觉察到它们之间的联系。例如，声音逐渐被理解为空气柱或弦的机械振动，热被理解为原子或分子的无规则机械运动（尽管当时还没有观察到原子，但坚信它们的存在）。随之而来的是对能量及其守衡定律概念的大量扩充。人们逐渐认识到，当机械能明显消失时——例如，两个物体的非弹性碰撞——我们可以转化为碰撞物体热能来解释，表现为它们的温度升高了。这样能量守衡可以被看成一条普遍原理，尽管它还没有立即扩张到电磁学中。19世纪早期，人们发现了电现象和磁现象之间的联系：电荷流过导线会产生磁效应，变化的磁场在闭合导线中会产生电流。随后在19世纪末，伟大的物理学家麦克斯韦（1831—1879）用统一的电场和磁场方程，解释了光以惊人速度3×108m/s传播——该数值已由实验证实。最后结果是物理学的巨大统一。很多年来，随着新的发现，似乎物理现象的多样性在无限制地膨胀。随后才逐渐认识到，传统上把物理学区分为不同的领域，实际上，是因为我们对它们本质联系的无知。为了方便起见，但可能很不幸，物理学的不同领域在大多数情况下仍然被作为彼此独立的研究领域，课本在也继续这种分割。然而，只要承认在根本意义上物理学是一个学科，这还不算很糟。光的本性物理学的一个主要目标是发展合理的概念模型，正像它们被称为的那样，用它们可以描述和解释各种各样的物理现象。在这方面最显著的例子就是试图找出一个成功的光的模型。根据一些古希腊人的观点，我们看清物体的能力依赖于从眼中发出的某些东西——一个很容易被实验驳倒的想法（例如，在黑暗的房间里看不见物体）。另外一些人的想法似乎合理一些，物体能被看见是因为它们自己发出一些粒子，由点光源产生的清晰的影子很自然地导致了这样的光的图景，即光是由光源或被它照亮的物体发出的沿直线传播的粒子组成的。光线在镜面上的反射规律——反射角等于入射角——的发现进一步强化了这个模型。牛顿偏爱这个粒子模型。但是他的同代人惠更斯设计并发展了另一个完全不同的模型----光由在介质中传播的波组成。他认为光的巨大速度及光线彼此穿过而不相互干扰的能力，都是反驳光由实物粒子组成的证据，他认为视觉必须依靠光对视网膜的振动，他可以通过发自光束波前不同位置的圆波或球波的叠加解释光的直线传播。在当时，光的粒子模型和波动模型显然是互相排斥的。由于牛顿的权威性使得光的粒子模型被普遍接受，并在大约100年内没有受到挑战。但是随后发生了一些令人震惊的事。大约在1801年托马斯·杨（1773—1829）演示出，如果一束光被分成两束并互相叠加，就会显示出干涉现象----在接收光屏上会出现黑白相间的区域（图3）。出现黑色区域——干涉相消是粒子模型无法解释的；一个光粒子怎么会被另一个消灭呢？这样粒子模型就被放弃了。在19世纪剩余的时间里，光的波动模型的证据不断积累，正如前面所提到的，麦克斯韦表示如果把光看作穿过布满整个空间的以太介质的电磁扰动，那么他能够解释光的传播，这时证据的积累达到了顶峰。波动模型的胜利似乎是永久而彻底的，但事实并非如此。正如我们随后要讨论的，这个被认为可以作出是或不是的简单判断被证明是令人吃惊而且不可思议的。图3，一个杨氏双缝干涉实验的简图。来自双缝的波加强的区域用黑点表示，削弱的区域用空心圆来表示。这一干涉模式，中间最亮，其它最亮的区域分居在两侧。实际上光的波长很短，这意味着干涉弧越多，而且靠得很近。