物理有意思

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本书由中国科学院物理研究所与长三角物理研究中心联合创立的科学传播品牌“悟理学院”策划打造，中国物理学会科普工作委员会共同出品，由《云里？悟理》系列讲座衍生而来。 长三角物理研究中心由中国科学院物理研究所与江苏省溧阳市人民政府联合创建，是中国物理学会科普教育基地。大力推动“院士专家进校园”活动、主办“新年悟理”跨年科学演讲，与中国科协合作“学风传承”项目等。 中心以“定义科学新坐标”为发展宗旨，深耕科学文化创意与传播领域，积极推动科技交流、开展科教融合和科学传播活动。以建设世界知名科技创新及学术交流基地为发展目标，致力于在前沿科学、新能源、高端制造等领域形成可持续发展的国际竞争力。

内容简介

如何科学吵架？——光的三次“波粒战争” 吵架可以算得上人类在解决问题和冲突的过程中使用的比较独特的一种处理方式了，毕竟动物没有含义如此丰富的语言，问题的解决只能伴随着动手动脚。历史上文学作品中那些著名的争吵，在互联网上也是经久不衰的话题。在《三国演义》中有一个著名桥段，两军对阵，曹魏阵营的王朗想要将诸葛亮劝降，不料反被痛骂一顿，甚至一口气喘不过来坠马而亡。 在人类科学史上，论战其实也层出不穷。宇宙的中心到底是什么？地心说和日心说斗得你死我活。热的本质是什么，一个热质说大家就吵了将近100 年。物质到底是由什么组成的？原子的存在是真实的吗？大家的诘难和不理解甚至让信奉原子的一代物理大家玻尔兹曼抑郁自杀而终。 围绕光到底是什么这困难的课题，历史上的争论也非常多。上一节中，我们从外在现象层面对光的一些性质以及与物质相互作用的表现有了一定的了解。在本节中我们将更进一步，沿着历史的脉络，了解历代科学家如何在论战中，一步步探索和接近光的本质。 光学研究的起源 光学这一领域，是人类最古老的研究领域之一。早在公元前6世纪，一些思想较为超前的古希腊思想家开始拒绝用超自然的力量解释生活中观察到的现象，而是转向自然本身寻求原因。比起神话和宗教权威，他们更相信理性和观察的力量，并且热衷于通过交流和辩论来谋求真理。这是人类思想史上的一大进步，也正是这种思想上的转变，引发了古希腊自然哲学研究的萌芽。其中光作为生活中经常见到的现象之一，自然也在探讨的范围内。最初的这些研究虽然较为粗浅，但是会科学家形成了对光最基本的认知。 古希腊将对光的研究定义为对视觉的研究。在他们对视觉过程的普遍理解中，眼睛会发出火焰，由此，火焰发出来的光就可以探测到被观察物体的表面。这种观点由来已久，甚至在最古老的古希腊诗歌和戏剧中都可以发现对其的表述。在古希腊哲学形成后，著名的毕达哥拉斯学派也信奉着同样的观点。如果对这种思想进行追溯，其实可以发现它是将视觉与触觉进行类比所得出的结果——人们通过用手触碰的方式来感知物体，那么眼睛要感知物体，一定也是与物体发生了某种触碰。出于这种理解，古希腊天文学家希帕克斯将这种眼睛中发出的火焰称为“视觉之手”。 当时的古希腊学者大都支持以上观点，仅有的反驳的人是以德谟克利特为代表的原子主义者。德谟克利特是一位百科全书式的学者，就是他最早在哲学上提出了原子理论，认为万物都是由不可再分的原子和虚空组成的。原子主义者将包括视觉在内的各种感觉的生归结为被观测物体的原子投射到观测的器官上的结果。但是，为什么只有白天的时候人们才能看清物体，天黑之后就看不见了 呢？为了解释这一问题，原子主义者又补充了视觉的产生需要两种实体：来自太阳的光和来自物体发射的原子。 另一位著名的古希腊哲学家柏拉图将上面的两种观点进行了综合。他基本认同“眼睛发出火焰”的说法，但是也部分引用了德谟利特的观点，认为人们的视觉来自物体本身特性的延伸。在柏拉图的理论中，与来自太阳的火焰和来自眼睛的火焰相接触的并不是物体本身，而是来自物体表面散发出的第三种火焰。物体的亮度是来自物体的火焰粒子和来自眼睛的火焰粒子的相对大小和速度决定的。 柏拉图最著名的弟子亚里士多德对包括他老师在内的观点都进行了批判。对于视觉之火的猜想，他质疑道：在观测遥远的星星时，眼中发出的火焰是否能够触及到那么远的距离？而对于原子主义的猜想，他也认为是错误的，因为从别人的眼睛中也能看到物体的图像，这个图像显然不再来自物体发射的原子。亚里士多德随后发展了自己的理论，在他的观点中，图像的传递需要一种媒介，这种媒介不是来自物体或眼睛的火焰，而是独立存在的，他称之为“以”，图像在以太中的传递是瞬间完成的。亚里士多德提出的“以太”概念影响深远，一直到近代，人们都在假设光的传播需要以太这种介质的存在，直到19 世纪末，迈克尔逊- 莫雷实验才真正证实了以太是不存在的。 以上这些对于视觉现象的描述都是定性的，直到欧几里得开始，人们对光学才有了定量的描述。有趣的是，这种定量描述的产生在一定程度上还得益于视觉之火的观念，因为在这种观念的影响下，人们才开始去分析从眼睛发射的火焰照射到物体上的角度分布情况。欧几里得在几何学上颇有研究，大家都知道他最著名的作品——《几何原本》，而光学相关的研究可以说是欧几里得对于几何学的应用。在著作《光学》中，欧几里得假定从人眼发出一系列发散的射线照射到物体上，基于此对光的反射等现象进行了定量研究。这种将光线假定为直线并通过几何学进行研究的方法如今被称作“几何光学”。欧几里得之后，阿基米德、托勒密等人又进一步发展了这一方法，大大丰富了几何光学的研究。 在中国古代，墨子对光学也有着一定的研究。他通过简单的实验总结了一些几何光学的规律。《墨经》里便记载了很多有关光学的条目，系统地说明了物体和影子的关系、影子和光源的关系、小孔成像、光的反射、透镜成像等内容。这些研究结果的出现时间甚至要早于 古希腊的相关研究。 时间到了中世纪，伴随阿拉伯帝国对西方的征服，古希腊的学说开始大量传入阿拉伯。阿拉伯帝国的学者翻译了大量希腊的资料，同时对这些内容进行了细致地评阅和评判性地吸收。对于技术的需求，使得观察和实验的方法在阿拉伯世界普遍流行，因此阿拉伯的光学研究十分发达，其中最著名的研究者是数学家和天文学家海什木（他的名字在西方被翻译为“阿尔哈岑”）。海什木发现人的眼睛会因为强光的照射而感受到刺痛，因此认为光一定不是从人眼发出来的，而是来自外界，这是对希腊视觉之火观念的有力反驳。在抛弃了视觉之火的观念后，海什木还通过实验的方法，对光的反射、折射等现象进行了观测，重新建立了几何光学的体系，并且对人眼进行了详细的研究，了解了人眼捕捉光线的机理。这些研究结果被他汇总为了《光学全书》，现代光学的研究也由此发端。 细心的读者可能已经发现，上述关于光的研究都直接与视觉相关，这是因为那时只有通过视觉，人们才能直观地感受到光现象。直到近代物理学成为一门独立的学科后，人们开始慢慢脱离自身，去研究光本身这样一个无生命的物理现象。其中，关于光究竟是粒子还是波的争论贯穿了始终。 1.权威专家讲述超有趣的严肃物理 本书由中国科学院物理研究所众多院士、研究员打造的线上讲座《云里？悟理》衍生而来，于渌、向涛、曹则贤等20余位明星学术大咖讲解超级有趣的严肃物理 2.百万网友纷纷打卡，好玩儿到停不下来 在中科院物理所B站官方号、央视网、腾讯视频等平台上线的《云里？悟理》讲座深受网友追捧，弹幕不断，从小学生到博士，从理科生到文科生。”磕“物理根本停不下来！ 3.书比讲座更详细，讲座听不懂，书可以反复看！