波动理论的胜利

扬根据通过水塘表面水波的运动知识，设计实验检验了是否光也同样地传播。我们都知道水波是什么样的，虽然为了精确分析起见考虑的是小波而非大波。波的明显特征是在波传过时会抬高水位然后又压低水位；波峰高出平静的水面的高度为它的波幅，对理想的波来说，波传过时，水面被压下的幅度也与之相同。一系列波纹，就像在水塘中扔下一颗石子激起的涟漪那样，一个接一个具有相等的问题，此间距叫做波长，可表示为从一个波峰到另一个波峰的距离。当石子落入水塘时，激起的波纹环绕着源点，从中心向外一圈圈地传播；可是海中的波浪或在湖中由风拂起的水波由系列平行直线一条接一条地向前传播。这两种方式下，一秒钟内通过一个固定点——比如说石头的波峰数是个不变的数目，称为波的频率。频率表示一秒钟通过的波纹数，因此每一个波峰向前运动的速度都是波长乘以频率。

关键性的试验从平行波开始，正如到达海岸线之前波线一样。你可以想象在水塘中扔一块石子而在远处观察它激发出来的波纹。发出的小波的圆周越来越大，在离源点足够远的地方，波纹就像是平行的直线一样。因为很难察觉到围绕扰动点的大圆的曲率来。这就很容易考察当波遇到它传播路径上的障碍物时会出现什么情况。如果障碍物很小，由于散射，波会绕过它在它后面重新充满，留下很小的“影子”；但是如果障碍物比波的波长大得多时，它们在障碍物后面仅仅弯进去一点点，留下一大块未扰动的水面。如果光是波的话，仍然可以具有棱角鲜明的影子，只要光的波长比这个物体的大小小得多的就行。

现在将这个问题倒过来思考。设想一系列细微的平面波在水槽中传播，遇到的不是一个障碍物而是一道墙，只不过墙的中间开了一个小孔。如果小孔直径比波长大得多，那么只有对着小孔区域的波能穿过，而大多数波纹，如同冲向码头的水波，无法穿墙而过。可是如果墙上孔的直径很小，那么这个小孔就会成为新的环状波的一个波源，就如在那里扔下了一块石头。波纹渐渐远离墙面，所形成的圆形波（确切地说是半圆形的）就在原先平静的水面上传播。

好，现在我们可以谈到扬的实验了。设想象前述那样，平行水波传过水槽遇到一个阻板，在这个阻板上有两个孔。每个孔都成为一个激发半圆波的新波源，两列波都源于阻板的同一侧而向另一侧传播，它们不但频率相同，而且总是同相，在水面上传播形成较为复杂的涟漪图案。波在某处叠加，当两列波都处于波峰，我们得到增强的波峰，当一列波处于波峰，另一列波处于波谷，它们相互抵消。这种效应被分别称为相增干涉和相消干涉。由这种效应很容易看到，只要在水塘中同时扔下两块石子就可以了。如果光是波动的话，那么等效的实验就可以形成波纹的干涉条纹，这正是扬发现的。

扬将一束光照到具有两个狭缝的阻挡屏上，在屏的后面，光从两个小孔传播出来并相互干涉。如果光同水波一样也是波的话，那么由于相增干涉和相消干涉，在阻挡屏之后会形成明暗交错的区域。当扬将一个白屏放在窄缝之后，刚好看到他所寻找的——明暗相间的条纹。

可是扬的实验并未引起科学界的兴趣，特别在英国，创立任何被认为与牛顿观点相悖的理论几乎都会被认定为是异教徒的行为。牛顿逝世于1727年，在1705年，也就是离扬宣布他的发现不到一百年，牛顿是第一个因科学研究工作而被封为骑士的。在英国破除这个偶像还为时过早，而在拿破仑战争时期也许这是适合时宜的，于是法国人奥古斯汀·菲涅尔拾起他的“叛逆”思想，最终确立了光的波动学说。菲涅尔的工作虽比扬晚几年，但比扬的工作更完善，实际上，他几乎对光各个方面的现象用波动性来予以解释。除此之外，他还解释了对我们来说非常熟悉的日常现象——光照射到油膜上产生非常美丽的反射色彩。这个过程同样出于光的干涉。一部分光直接由油膜的上层反射回来，另一部分光透过油膜，从底层反射出来。因此，存在两束不同的反射光，它们之间相互干涉。由于每种颜色的光具有各不相同的波长，白光是由彩虹般的七色光叠加而成的，因此，从油膜上反射出来的白光能产生七色光的相增干涉或相消干涉，其效应依赖于眼睛相对于油膜的位置。

莱昂·傅科是一位法国物理学家，他最著名的发明是显示地球自转的傅科摆，在19世纪中叶提出了与牛顿粒子说相反的断言：光在水中的传播速度比在空气中传播的速度要慢，这也是一些著名科学家曾经所预计的。那时候，人人知道光是能在以太中传播的波，不管它是怎么进行的，可是要能够弄清楚在光流中是什么“波”在传播就更好了。从19世纪60年代到19世纪70年代，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，至此光的理论得以完善。麦克斯韦断言存在电磁辐射，磁和电的强度变化像水波那样峰谷交替。1888年，德国物理学家海因里希·赫兹成功地发射并接收了作为电波的电磁辐射，这种电波与光相同只不过具有更长的波长。经历牛顿和伽利略年代以来的一百多年，科学思想上最伟大的革命的冲击致使光的波动说趋于完善。在19世纪末期，有个天才或傻子想到了光是粒子，这个人叫阿尔伯特·爱因斯坦；我们在理解他何以迈出这勇敢的一步时，需要有一些19世纪物理学思路的背景知识。