在正式介绍泊松亮斑前,有必要交代其出现的背景。
在油灯,电灯产生之前,太阳光是人类唯一的光源,当然万事无绝对,要是你能捕捉到足够多的萤火虫,放在古代,那么你就是车胤(yìn)二代,放在现代,那你是"可能"要进警局待。
ps:百度百科上写萤火虫不是国家保护动物,但具有教育意义,是生活环境指标,不支持大规模捕捉。
光对地球上的万物都是不可或缺的一部分,我们早已习惯阳光,所以才会在漫漫长夜装上五彩斑斓的灯光表达人类对光的不舍,科学家们承担着研究世界运行的底层原理的责任,对光的思考更是远超常人,其中又对光到底是什么兴趣十足。
早在十七世纪,科学家们便孜孜不倦地探讨光的本质,最早出现的学说是1655年格里马第提出的波动说,认为光是类似水波的光波组成的,然而不过短短十七年,一种截然不同的的学说被一个我们都熟知的人提出,牛顿通过光的色散实验得出微粒说。
在牛顿提出微粒说之前,虽然在1663年格里马第逝世,但波动说已经收获众多追随者,英国皇家学会评议委员会的主席胡克公开发表对牛顿的微粒说持基本否定态度。
大家都知道牛顿是个天才,他也拥有天才的傲气,微粒说的提出本身是个意外,牛顿一开始也不打算靠着微粒说推翻波动说,但公然被胡克反对,牛顿的牛脾气就上来了,着力于微粒说的完善。
一场科学界的大戏就此拉开序幕。
微粒说掌门人牛顿与波动说掌门人胡克开始了持续一生的辩论。(当然二人的主要工作都不在这方面)
在二人溘然长辞后,两种学说的拥趸们开始了长达三百年的对峙,各自的实验结果无可争辩,大家都觉得自己才是对的。
对于二十一世纪的我们,面对光到底是个啥这种问题,互联网中到处都是答案,光具有波粒二象性,但这样的答案确实是从十七世纪到二十世纪无数前人付出无数心血才得到的,光既是微粒也是波,一种事物有两种本质,这种逻辑的转变对于长期追求唯一真理的科学家们确实不是一时半会能做到的。
不过对于光的本质的探讨不是我们今天的主题,在几百年的争辩中,你来我往之中隐藏着这么一个有意思的故事——泊松亮斑。
Simeon-Denis Poisson
西莫恩·德尼·泊松 1781~1840
法国数学家、几何学家和物理学家。
1818年,法国科学院提出了一个征文竞赛题目:
1:利用精确的实验确定光线的衍射效应
2:根据实验,利用数学归纳法推导出光通过物体附近时候的运动情况。
----百度百科
这次的题目其实本来扯不到波动说与微粒说的争斗之中,但土木工程师菲涅耳的出现将它提到了一个不属于它的高度,严格来说菲涅耳应当归属复兴派,在当时微粒说更受科学界的普遍接受,菲涅耳是波动说的支持者,他通过波动说的观点,采用严密的逻辑推理给出了一份几乎完美的答案,至于说一个土木工程师是怎么做到的,可能因为当时的科学家都是斜杠青年吧!
波动说出了个天才菲涅耳,按理说这次竞赛就应该完美结束了,不巧的是泊松正好是竞赛评委会的成员之一,而他又是微粒说的坚定拥护者,在看到菲涅耳的答案时心中就充满不屑。
泊松是不是当场反对,咱们不得而知,但回到家的泊松也许是想给年轻的菲涅耳上一课,他利用菲涅耳论文中的数据与理论,通过计算,最终得到一个“不可能”的结果:如果在一束光的传播路径上,放置一块不透明的圆板挡住,在离圆板一定距离的地方,圆板阴影的中央应当出现一个亮斑。
阴影中央会出现一个亮斑,这件事听起来就觉得不靠谱,自信的泊松拿出自己计算得到的结果交予评委会,本意是借此驳倒波动说,让菲涅尔知道世界很大,小伙子还需要多学习。
实践是检验真理的唯一标准。 ----邓小平
科学是严谨的,一切都要通过实验,切不可轻易相信自己的推理,而要用大量的实验数据说明理论的正确性。 —— [法国]李普曼
得到数据的评委会,马不停蹄地开展实验,毕竟纸上得来终觉浅,须知此事要躬行,科学可不是光从纸上得到的,况且这个验证实验也算不上多难。
在实验结果出来之前,其实多数人就已经认为亮斑的出现是件不可能的事,如果心理活动可以具象化,我想当时泊松表面上在等待实验结果,心中早已开香槟庆祝微粒说的胜利了。
注定泊松喝不到那杯胜利之酒,一个亮斑清晰地出现在阴影之中,结果出乎多数人的意料,不透明圆板的影子当中居然真的有一个亮斑。
如果你对泊松的简介还有印象的话,是否注意到一个细节,法国数学家、几何学家和物理学家。
是的,泊松的数学成就高于他的物理成就,他首先是位数学家,在数学中泊松分布更是一个经典问题,泊松亮斑也是他凭借过人的数学本领计算得到的,对于菲涅耳来说,根本计算不出还有这么巧妙的亮斑存在。
一个微粒说的拥趸,运用他高水平的数学能力,成功验证了波动说的可行性,此时距离“光具有波粒二象性”得到广泛认可还有不足百年的时间,不得不说泊松亮斑绝对是科学史上黑色幽默的代表之一。
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