物理學家對於自然界中“波”的9大理解與發現！

對於物理學家來説，“波”是自然界中最重要的物理現象之一。從熱、光、廣播和電視到音樂、地震和全息圖，波在許多物理過程中起着重要作用。許多科學們最偉大的成就是關於對波這種自然現象的見解。

以下是九個關於“波”的發現！

邁克爾遜和莫理：“沒有以太”

聲波的傳播需要依靠空氣，水波的傳播需要依靠水等。受經典力學的影響，科學家們假設宇宙中到處都有一種叫做以太的物質，用來傳播光。

1887年，美國科學家艾伯特·邁克爾森和愛德華·默裏設計了一個實驗來探測以太物質。由於地球以每秒30公里左右的速度繞太陽運行，因此必須遭遇每秒30公里左右的“天風”，這將對光的傳播產生影響。地球運動方向的光速應與直角方向的光速不同。但他們的發現並沒有揭示任何以太效應。他們最初認為實驗本身可能有缺陷。但後來愛因斯坦提出根本沒有以太體。

托馬斯·楊：光波

在18世紀，科學家們爭論光的本質是什麼。艾薩克牛頓曾經主張光由非常小的粒子組成。與他同時代的荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯（ChristianHuygens）強烈反對他認為光是以波的形式傳播的。

一個世紀後，英國物理學家托馬斯·楊解決了關於光的性質的長期爭論。他通過一系列巧妙的實驗證明了光是一種波，而且證據確鑿。在一次實驗中，托馬斯·楊在一張厚紙上戳了兩個孔，發現光線穿過兩個孔後，在紙張後面的另一張紙表面形成了一系列明暗相間的條紋。這是因為光通過兩個孔的干涉會像水波一樣干涉。如果光是由粒子組成的，則只會形成兩個亮點。然而，楊未能從數學上描述光波，許多牛頓的支持者仍然拒絕接受楊的觀點。

但很快，法國物理學家奧古斯丁·讓·菲涅爾就詳細計算了光是如何在波中傳播的。此外，根據牛頓理論，光在水和空氣的界面處折射，因為光的粒子被水的一面吸引。這意味着輕粒子在水中的速度必須更快。但是在1850年，法國物理學家利昂·福柯測量到光在空氣中的傳播速度遠低於它的速度。所以即使是最堅定的牛頓支持者也不得不投降。如果牛頓當時還活着，他會承認光是一種波。

但是經過很長一段時間，愛因斯坦發現光實際上是由一種叫做光子的粒子組成。最後，物理學家們認識到光同時具有波和粒子的性質，這就是所謂的“波粒二象性”。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋：電磁波

英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋死於1879年，也就是愛因斯坦出生的那一年，所以他不知道“沒有以太”。當時，他認為電和磁是某種以太介質中的力。

麥克斯韋認識到，在這種介質中，一個振盪場產生振盪磁場，一個振盪場產生振盪電場，振盪電場與連續恆相振盪電場和磁場一起形成電磁波。根據他自己的方程（麥克斯韋方程組），電磁波的速度可以達到每秒3.1億米，這與實測的光速（每秒298毫米到315毫米）非常接近。麥克斯韋認為世界上沒有巧合，所以他得出結論，光是一種電磁波。

麥克斯韋在1864年寫道：“我們似乎有充分的理由得出這樣的結論：光本身（包括熱輻射和其他輻射，如果有的話）是電磁場中以波的形式存在的電磁干擾。”然後，還有許多其他電磁波，包括伽馬輻射、X射線、無線電波等。

海因裏希·赫茲：無線電波

一開始沒多少人把麥克斯韋當回事。然而，另外一些物理學家早已追隨麥克斯韋的步伐，完善了他的理論。德國物理學家海因裏希赫茲對麥克斯韋的理論非常有信心，因此他在實驗室進行了實驗。1887年，他成功地產生並探測到了無線電波。

他的成功為麥克斯韋的理論贏得了更多的尊重。現在，他發現的無線電波被用於無線通信、無線電、雷達、通信衞星、導航系統、計算機網絡等領域。雖然赫茲死於1894年，但在他的發現被廣泛應用之前，國際單位赫茲的電磁頻率是以他的名字命名的。

威廉·倫琴：X射線

赫茲發現的無線電波是麥克斯韋方程預測的長波電磁波。1895年，德國物理學家威廉·倫琴意外地發現了一種短波電磁波。

當倫琴讓陰極射線（電子束）通過玻璃管時，有一種未知的神秘射線，因此被倫琴命名為X射線。倫琴認為，他發現的射線可能是許多物理學家希望找到的一種新電磁波。他還發現，這個新的射線，類似於光，也可以產生陰影。多年以後倫琴發現的X射線最終成為了一個革命性的醫療技術基礎。

除了能夠診斷醫學影像外，X射線已成為天文學、生物學等領域的基礎研究工具。此外，X射線的發現打破了當時許多物理學家的自滿情緒，因為他們過去認為自己已經基本弄清了自然界的一切。順便説一句，X射線不是電磁波中最短的波長，伽馬射線的波長也比它們短。

路易·德布羅意：物質波

20世紀20年代初，法國物理學家路易斯·德布羅意根據類比法將光的波粒二象性推廣到所有粒子。他提出了物質波假説，認為每一個微粒都具有與光相同的波粒二象性。德布羅意終於在他的博士論文中寫下了他的觀點。

這可能有點奇怪，但愛因斯坦在讀了德佈雷的論文後認為這是合理的。1927年，美國物理學家克頓·戴維森和萊斯特·戈默用100電子伏的電子束穿過鎳單晶表面，觀察到了電子衍射現象。繞射是波遇到障礙物時偏離原直線的物理現象。所以他們的實驗表明電子也有波動性。幾乎與此同時，英國物理學家喬治·湯姆森（GeorgeThomson）用兩萬束電子束穿過多晶薄膜，觀察到了電子衍射現象。

德布羅意於1929年獲得諾貝爾物理學獎。後來，孫大衞和湯姆森分享了1937年諾貝爾物理學獎。有趣的是，湯姆森的父親約瑟夫·湯姆森也因發現電子而獲得1906年諾貝爾物理學獎。20世紀30年代，德國物理學家恩斯特·羅斯卡還利用電子的波動特性設計了電子顯微鏡，並因此獲得了1986年諾貝爾物理學獎。

馬克斯·玻恩：物質波

這其實是一個概率波

描述機械波的波動方程可由牛頓力學方程給出。描述電磁波的波動方程是麥克斯韋方程組。那麼描述物質波的波動方程是什麼呢？

德布羅意理論提出後，許多物理學家開始尋求物質波的波動方程。1926年，奧地利物理學家ErwinSchrodinger發現了波動方程，可以用來描述粒子狀態的變化，從而正確地描述氫原子中的電子行為。他的方程被稱為薛定諤方程，成為量子力學的基本方程之一。

電磁波是空間中電場和磁場的交變波。物質波代表什麼物理量？我們要看看薛定諤方程是如何描述物質波的。

在薛定諤方程中，人們用一個稱為“波函數”的量來描述物質波的波特性，但一開始，沒有人知道波函數的物理意義是什麼。不久前，德國物理學家、愛因斯坦的好朋友馬克斯·伯恩發現，波函數絕對值的平方給出了在某個時間、某個位置發現粒子的概率。因此，他認為物質波不同於機械波和電磁波，它是反映質點運動不確定性的概率波。

但德布羅意、薛定諤和愛因斯坦都不同意波恩的觀點。德布羅意還説，他從一開始就認為物質波是客觀的。直到今天，物理學家們還在爭論波函數的真正物理意義。

約翰·米歇爾：地震波

1755年，葡萄牙首都里斯本發生地震，這是人類歷史上破壞力最大、遇難人數最多的地震之一，估計遇難人數為6萬至10萬。同年，英國地質學家和天文學家約翰·米歇爾開始調查里斯本地震的原因。1760年，他得出結論，“地下火山”是地震的罪魁禍首。

米歇爾還首次提出，地震是以波的形式傳遞的。他還引述地震目擊者的話説，地面“就像大海的海浪”。後來，地震學家對震動地球的地震波有了更準確的瞭解，他們可以推斷出地球的內部結構。

LIGO：引力波

在愛因斯坦完成廣義相對論之後，他認識到了引力波的可能性——一種由空間和空間本身的振動引起的漣漪。他可能沒有想到，物理學家在一個世紀後花費了超過10億美元來探測這種時空漣漪。早在2015年9月，分別位於路易斯安那州和華盛頓州的兩個激光干涉引力波天文台（LIGO）首次觀測到一對黑洞合併產生的引力波。

這無疑是科學史上最重要的發現之一。由於引力波是空間和空間本身的漣漪，它們幾乎可以穿過宇宙的任何區域，因此天文學家可以利用引力波觀測其他傳統方法無法探測到的天文事件，如觀測超新星核心或大爆炸一秒鐘的前半部分。所以引力波為我們瞭解宇宙打開了一扇新的窗口。