量子猫:从科学到社会

科学思想漫谈——波动学说的创立（惠更斯评传）

量子猫 

我们现在都认为微观世界或物质的基本存在形式是波粒二相性，那么波动学说是怎么起源的呢？这个概念最初来自于惠更斯的创意。

惠更斯(Christian Huygens，1629~1695)比伽利略、笛卡儿生活的时期稍后一些，是荷兰最著名的物理学家、天文学家、数学家之一。

惠更斯出生的时候，伽利略、笛卡儿已经是科学界最耀眼的巨星了。惠更斯门第高贵优越，家庭教育良好。居住在离他们家几英里范围内的声誉显赫的大科学家、哲学家笛卡尔，还有哲学家斯宾诺萨，艺术家伦勃朗、哈尔斯等等，常常是他们家的座上客。他们家的一些科学家、艺术家朋友，也和伽利略经常来往。在阿基米德、伽利略等人著作及笛卡儿等人的直接影响下，惠更斯在数学、力学、光学、钟表设计等方面贡献诸多。

他不仅通过进一步研究伽利略摆动体及其弹性碰撞，建立了离心力定律，成为牛顿万有引力定律的直接基础之一，还提出了动量守恒原理，和作为能量守恒先驱的“活力”守恒学说。

他对物理学贡献最大的，是以笛卡尔的以太学说为基础，提出了光是“以太”媒质微粒振动的光的波动学说，提出光的球面波、次级子波的概念，并认为光以太可以进入“托里拆利（Evangelista Torricelli，1608～1647）的（真空）空间”，初步解释了光的传播、反射、折射、干射等。

惠更斯的“光以太”，以及笛卡尔的构成星云的“以太”漩涡，还不完全等同于后来的物质漂浮于其中的被迈克尔孙实验否定的“以太”，有点类似于现在量子场论中的真空态，是一种极有远见的想法。薛定谔很推崇惠更斯，在解释波粒二相性的时候，认为粒子是类似于“致密驻波”的波动。爱因斯坦通过广义相对论把引力场化，借助于电磁场理论，认为所有物质的最基本组成都是致密的场，提出统一场论。笛卡尔的“以太漩涡”，惠更斯的“光以太”、薛定谔的粒子是“致密驻波”的物理图景，爱因斯坦的统一“场”，量子场论的真空态，有某些相通之处。关于物质的基本存在形式，比如量子理论中的波粒二相性，特别是粒子“波动”或粒子出现的“几率密度”的概念，我们现在的物理图景还很不清楚，这些都是很值得注意的观念。

牛顿根据惠更斯的光的波动学说，一度提出光的微粒振动周期说，并以此解释颜色概念，已接近光的频率决定颜色的正确理论，但与他希望用力学通过粒子相互作用解释一切事物的理论体系在逻辑上矛盾，后来放弃了波动说而坚持更符合他的力学体系的光的微粒说。同一时期以发明显微镜观察微观生物世界而闻名的科学家胡克（Robert Hooke，1635-1703）通过光的干涉机制解释了薄膜颜色，提出了光是横波的概念。后来法国物理学家和铁路工程师菲涅耳（1788~1827）进一步提出了光的衍射、偏振理论，确证光是横波，完善了光的波动学说体系。二十世纪初的薛定谔根据惠更斯的光的波阵面振动学说，用波函数来描述微观粒子的波动，建立薛定谔方程，成了量子理论的最主要缔造者。薛定谔方程，在二十世纪中期费曼提出路径积分的方法之前，是量子理论最常用、最基本的数学工具。

惠更斯的光学理论尽管不太成熟，也有不少错误，比如他认为光是纵波，但大致的物理图景是正确的。因为光学或电磁场理论是物理学的最重要内容之一，波动现象也是物质存在的基本方式，这个话题我们后面讨论基础物理学的未来走向时还会重点涉及。所以，惠更斯作为光的波动学说的创始人，对于基础物理学，绝对是永远闪耀的最明亮的星星之一。

（摘自正在写作的《科学思想漫谈：太阳、月亮和星星之二，经典物理学的建立和科学思想的形成》）

此文于2008年11月24日星期一6:47 pm发表于“科学与科普, 人物评议”分类下。您可以通过RSS 2.0 feed来跟踪此文的所有评论。您可以留言，或者从您自己的网站trackback。