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第9章 奇妙的光(3)

说起镜子的发明却有四五千年的历史了,但古时候的镜子都是用铜磨制的。大约在公元前三千年,埃及和亚洲西部一带的人们,已经掌握了铜铝合金的生产技术。埃及人把青铜板打光磨光后,可以照出人影,但铜镜照出的人像不是太理想。

大约在公元7世纪,地中海沿岸的意大利逐渐成为欧洲的文化中心。意大利的玻璃工业格外发达,特别是威尼斯城出产的玻璃尤为驰名世界。1291年,意大利借口保护玻璃生产的安全,强令全国的所有玻璃工匠全部集中在穆拉洛岛从事生产。实际上这是防止生产技术被别的国家学去。

意大利政府给予迁入岛上的工匠们以极优厚的待遇,并出高价鼓励他们发明创造。但有一条规定:凡泄露生产技术的,都要处以死刑。

1317年,他们首创了平板玻璃。

1508年,在高利的刺激下,达尔卡罗兄弟俩研制成功了镀银的玻璃镜子。这种镜子是把水银倒在制成的锡箔镜上,水银能够慢慢地溶解锡,同时也就形成了一层薄薄的锡与水银的合金(称为“锡汞齐”)。锡汞齐比锡箔层更致密,反光能力强,照人时形象逼真,与真人无二,人们称为“威尼斯镜子”。它开创了用化学方法制镜的新纪元。这种镜子一经露面便闻名全球,畅销各国,当然价格也就惊人了。

法国国王听了大臣的密计,派了一名亲信来到意大利。

口谕法国驻意大利的大使,要千方百计、不惜代价地从穆拉洛岛偷渡来一两个工匠回国。“万能的金钱”起了决定性的作用,大使通过秘密渠道,终于用大量的金钱,买通了该岛上一个小杂货店的老板。

一个漆黑的夜晚,一条小木船偷偷地驶进穆拉洛岛的礁石丛中,有三个威尼斯工匠偷偷地钻进了小船。几分钟后,这条小船向遥远的彼岸驶去。就这样,那三个工匠连同镜子的秘密一同被运到了法国。

几个月后,法国也有了一座生产玻璃镜子的工厂,大量的玻璃镜子源源不断地从工厂生产出来。从此,法国人再也不受威尼斯商人的勒索了。

法国制造的镜子式样,比威尼斯的更加美丽精巧,新颖大方。它们迅速成为凡尔赛宫、芳丹白露宫、卢浮宫和贵族府邸的装饰品。同时,镜子生产的秘密再也不是秘密了,很快传出法国。到了19世纪,人们又发明了“镀银法”,再次改进生产技术,使镜子的质量又上了一层楼。

光学工业的双星

光是一种重要的自然现象,与人类的生活密切相关,因此,无论是我国还是西方,早在2000多年前就已开始对光学有所研究,人类制造光学仪器的历史也可以从这时记起。

11世纪时,人们发明了透镜。到16世纪末17世纪初时,欧洲人发明了显微镜和望远镜,后经牛顿、惠更斯等人的改进,使它在实际应用方面得到了发展,但这时人们还未从基本原理上解决显微镜和望远镜的研究和制造问题,只是盲目地摸索。

19世纪40年代,随着细胞生物学的蓬勃兴起,生物学家们迫切需要放大倍数高的优良的显微镜,一位名叫卡尔·蔡斯的德国人看准了这个方兴未艾的行业,加入了显微镜制造行列。

蔡斯出生于德国的魏玛,30岁那年,他在耶拿大学取得了机械士职位,主要从事光学仪器的制造,鉴于显微镜在科学研究中的重要性与日俱增,他便离开了大学,集资创立了一个制造显微镜的小厂。

起初,蔡斯及工友们仍然沿袭当时常用的反复试验的旧方法。主要是依靠经验,采用不断摸索的方式来生产出均匀的显微镜头。但很快他发现这种旧方法存在一个致命的缺点,就是没有一种客观的标准,无法衡量显微镜镜头质量的好坏。为了提高显微镜的性能,蔡斯多方寻求帮助,最后,终于在1866年开始了和德国物理学家阿贝的合作,他们二人,一个具有光学和数学的专门知识,另一个却具有丰富的实践经验,相互合作,相得益彰。这样,阿贝在1866-1876年的10年间,成为蔡斯光学工厂的合股人,同时出任耶拿大学教授。10年间一个规模不大的蔡斯厂一跃成为国际闻名的光学企业公司,阿贝在扩大改进蔡斯工厂的过程中立下了汗马功劳。

阿贝在检查了当时凭经验制造出来的显微镜之后,发现那些质量好的物镜,其工作位置都是符合正弦条件的,这样就揭示了制造优良物镜的秘密。1873年,阿贝在显微镜成像理论中首次引入频谱概念和二次成像概念,他还从他的成像理论推导出了众所周知的关于显微镜分辨距离的公式。这样,理论与实践相结合,阿贝先后发明了焦距仪,阿贝折射计,球径仪等多种光学仪器,付诸使用后,大大提高了光学仪器的产品质量。

在17世纪胡克曾注意到,当观察水中生物时,如果物镜的前透镜与水相接触以致于在透镜和标本之间没有空气时,观察到的图像特别清晰。阿贝参看了前人对此问题的研究成果,又对大约300种液体进行试验,最后选择了香柏油做为浸没液体。在1878年设计成功了浸没物镜,这是阿贝对显微镜事业的重要贡献之一。

早在19世纪70年代初,阿贝就用计算方式获得了最优化的消色差透镜方法。但由于当时光学玻璃材料的制造工艺未能达到理论要求,所以阿贝一直没有制出消色差的透镜。

1884年,蔡斯和阿贝说服化学家肖特,在肖特的耶拿玻璃厂内精炼出一批高质量的新牌号的光学玻璃。阿贝利用这些玻璃并首次使用萤石,于1886年设计成功了复消色差物镜,使显微镜达到了它的理论上的分辨极限。这是光学显微镜发展中的又一个巨大进步。

在19世纪和20世纪,蔡斯光学工厂的产品质量,在世界范围内处于绝对第一流的状况。这一切是和蔡斯与阿贝亲密无间的合作分不开的,他们的合作是科学和技术的完善结合,被后人誉为“光学工业的双星”。阿贝的一系列技术发明,不仅推动了蔡斯产品走向世界,而且也推动了光学理论的自身发展。蔡斯和阿贝的合作,揭开了近代光学工业的序幕。

揭示光的本质

在物理学史上,对于光的本质的争论持续了200多年的时间,产生了两种水火不容的学说,一种是微粒说,认为光是由无数微粒构成的粒子流;一种是波动说,认为光是一种波。这两种学说互不相让,光如果是波,就不是微粒;如果是微粒,就不是波;不可能既是波,又是微粒。直到1905年爱因斯坦提出了光量子理论,认为光既是波又是微粒,这种看法才被打破。正是从爱因斯坦的光量子假设中得到启发,法国着名物理学家德布罗意提出了关于波粒二象性的假设。

路易·德布罗意1892年8月15日生于法国望族,他的家族长期为法兰西王朝效劳,功勋卓着,17世纪40年代,法国国王路易十四封德布罗意家族为世袭公爵。数百年来,这个家族出了许多高级政治家、外交家、军事家和科学家。

路易·德布罗意和他的大哥莫利斯·德布罗意则以他们的科学成就而闻名于世。

德布罗意初上大学时,对自然科学并不感兴趣而专攻历史,他大哥莫利斯是着名的实验物理学家,家里有设备精良的实验室,路易在这个实验室里接触到许多新的物理问题,在大哥的影响下,路易才决定放弃历史,转而学习物理,成了一位半路出家的理论物理学家。

德布罗意善于直接从历史的观点去分析问题,物质波的思想正是从光学研究史和物理学其它领域的研究史的对比中产生的,他善于用简明的语言,而不用深奥的公式去阐述问题在历史上的联系。可以说,德布罗意假设是物理学和物理学研究史结合的产物,这种结合产生了重大的科学效果。

德布罗意对爱因斯坦的光量子概念特别赞赏。1921年,他借用光量子假说,发表了一篇关于黑体辐射的论文。

第二年,他又在一篇论文中用光子概念导出维恩辐射定律,他把光子看成“光的微粒”,具有质量和动量。这一时期,他对光时而呈现波动性,时而呈现粒子性这种奇特性质发生了浓厚的兴趣,从而想把这两者统一起来。

1924年,德布罗意在《关于量子理论的研究》这篇博士论文中精辟地阐述了他的这种思想,1925年在法国《物理学年鉴》上发表这篇长达100页的论文。他认为,不仅在光的理论中,而且在物质理论中必须利用波动概念和粒子概念。每个粒子都伴随一定的波,而每个波都与一个或多个粒子运动相联系。他假设一个电子和一个“物质波”的系统联系在一起,这些物质波具有不同的传播速度,但相差不大。

在它们传播的路上,这些波将合成为“波包”,这个“波包”将以一定的速度移动,这种速度称为“群速”,这“群速”就是粒子的运动速度,仿效爱因斯坦关于光子波长的表达式,德布罗意得出物质波的计算公式是λ=h/mv,h是普朗克常数,mv是粒子的动量。

德布罗意的论文发表后,得到法国着名科学家朗之万的赏识,他迫不及待地建议爱因斯坦务必读一读这篇文章,爱因斯坦看后,惊叹不已地称赞说:“瞧瞧吧,看来疯狂,可真是站得住脚呢!”他看出德布罗意的工作具有重大意义,誉之为“揭开了巨大帷幕的一角”。

德布罗意物质波的假设提出后,人们虽然觉得这种想法既大胆又新颖,但如何去检验这种想法的正确性?是否真能测出电子波的波长?这一波长能否与德布罗意公式算出的结果相符合?这一系列问题自然是大家最关心的。人们开始通过实验去检验这一假设,但毫无效果。直到1927年,才偶然从美国物理学家戴维逊和革末的实验中获得证实。同年,苏格兰的物理学家汤姆逊从另一种办法中证实了德布罗意假设,获得了异曲同工之效。

由于德布罗意关于波粒二象性的发现,而荣获了1929年的诺贝尔物理学奖,成为以博士学位论文直接获得诺贝尔奖的第一位科学家。

德布罗意的假说为后来薛定谔波动力学的建立提供了最重要的理论基础。薛定谔把德布罗意的物质波概念应用于原子结构学说,创立了量子力学的另一种新形式——波动力学,使德布罗意的贡献闻名于世。

蓝色大海带来的启示

1921年的一天,在风平浪静的地中海上,一艘客轮正平稳地向印度驶去,一位年轻的印度母亲领着一个八九岁的小男孩在光洁如镜的甲板上散步,孩子倚在栏杆旁,望着蔚蓝的大海不停地发问:

“妈妈,这是什么海呀?”

“这是地中海。”

“为什么海水是蓝色的?”

“这个……妈妈也不知道。”

母子的谈话吸引了一位年轻的印度人,他走了过来,抚摸着男孩子的头说道:

“大海之所以是蓝色,是因为它反射了天空的颜色。”

男孩眨着聪慧的眼睛,不再发问了。而这个简单的问题却象一块大石头压在了这个年轻人的心头,他下决心要解决这个问题。这个年轻人就是印度着名物理学家钱德拉塞卡拉·文卡塔·拉曼。

1888年11月7日,拉曼出生在印度南部的蒂鲁吉拉伯利,他的家庭属于印度婆罗门教。他自幼聪明好学,16岁时就获得了理学学士学位,1907年,他19岁时获得了硕士学位。本来他打算赴英留学,但因身体不好而未能前往。这样,他来到了当时印度政治、经济、文化的中心加尔各答,在印度财政部任总会计助理,在这里,他整整工作了10年。

在加尔各答期间,拉曼一面工作,一面从事业余科学研究,这时他主要研究声学和振动理论。1917年的一天,一个偶然的机会,拉曼结识了加尔各答大学的副校长穆柯伊爵士。这位副校长十分赏识拉曼的才华,便邀请他到加尔各答大学任教。拉曼欣然接受了邀请,被加尔各答大学理学院聘请为物理学教授,拉曼的事业从此掀开了崭新的一页。

在这里,拉曼全身心地投入科学研究中,很快就取得了出色的研究成果,引起了英国科学界的注意。1921年,拉曼代表加尔各答大学,出席了在牛津召开的英帝国大学会议,他在会上所作的科研报告,受到了听众们的一致好评。

在回国的途中,他邂逅了那对印度母子,小男孩提出的简单问题又把拉曼引到了另一条研究道路上。

回到加尔各答后,拉曼开始研究海水呈现蓝色的课题。

他首先翻阅了大量资料,发现他对小男孩做出的解释是由英国科学家瑞利勋爵提出的。拉曼认为瑞利勋爵的提法不可信,他决定自已研究这个问题。

拉曼从瑞利勋爵的理论中得到启发,既然瑞利勋爵能用太阳光被大气分子散射的理论解释了天空的颜色,那么,水分子对太阳光是否也会产生散射呢?拉曼以此为突破口,通过大量的实验,运用细致的分析,证明了水分子对光线的散射使海水呈现颜色,拉曼的这一研究成果发表在1922年的《英国皇家学会会报》上。

此后,拉曼的研究深入到了分子和光线散射相互作用的前沿。他观察光线穿过净水、冰块及其它材料时的散射现象,取得了充分的实验数据。1923年,他又和助手一起在研究光被其它物质散射时,发现无论在固体、液体还是汽体中,都有一种普遍存在的光散射效应,即单色光被分子散射后频率将发生改变的现象,这种效应被称为并合散射效应或拉曼效应。

1928年2月,拉曼把这一研究成果发表在英国《自然》杂志上。拉曼效应对于研究分子结构和化学分析都是非常重要的。为此,拉曼获1930年度诺贝尔物理学奖金。这是印度人,也是亚洲人第一次被授予这项科学奖金。

1933年,拉曼离开加尔各答,来到印度南部重镇班加罗尔,担任印度科学学院院长兼物理部主任。他发起创建了印度科学院,创立了“印度科学会议”制度,创办了印度第一份物理专业学刊《印度物理杂志》,建立了拉曼科学研究所。为在落后的祖国绽开科学之花,拉曼耗费了大量的时间和精力。他还十分重视人才的培养,在他的指导和帮助下,一大批印度物理学家迅速成长起来,成为国际物理学界一支不可忽视的力量。

1970年10日,这位伟大的印度科学家与世长辞,终年82岁。

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