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數(shù)學(xué)算法俱樂部

日期：2020年10月30日

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來源：快報(bào)

牛頓關(guān)于力學(xué)，重力和光等主題的論文

我們都喜歡，我們最珍視的，關(guān)于世界和宇宙如何運(yùn)作的觀點(diǎn)。我們對現(xiàn)實(shí)的理解，常常與我們對自己的認(rèn)識，密不可分。但要成為一名科學(xué)家，就要準(zhǔn)備好，每次我們進(jìn)行測試時(shí)，都要對所有的問題表示懷疑。只需要一個(gè)與你的理論預(yù)測相沖突的觀察、測量或?qū)嶒?yàn)，你就必須考慮修正或拋棄你對現(xiàn)實(shí)的看法。如果你能重現(xiàn)，那個(gè)科學(xué)測試，并令人信服地證明，它與流行的理論不一致，你就為一場科學(xué)革命奠定了基礎(chǔ)。但如果你不愿意將你的理論或假設(shè)付諸實(shí)踐，你可能會犯物理學(xué)史上最大的錯(cuò)誤。

擁有英雄是人類的天性:我們仰慕、欽佩、渴望成為英雄。在物理學(xué)領(lǐng)域，幾個(gè)世紀(jì)以來最偉大的英雄是艾薩克·牛頓（Isaac Newton）。牛頓代表了人類科學(xué)成就的頂峰。他的萬有引力理論完美地描述了從彗星、行星和衛(wèi)星的運(yùn)動到幾個(gè)世紀(jì)以來物體如何落在地球上的一切。他對物體如何運(yùn)動的描述，包括他的運(yùn)動定律，以及物體如何受到力和加速度的影響，即使在今天，在幾乎所有情況下都是有效的。挑戰(zhàn)牛頓是愚蠢的事。

這就是為什么在19世紀(jì)早期，年輕的法國科學(xué)家奧古斯汀·讓·菲涅爾(Augustin-Jean Fresnel)本應(yīng)預(yù)料到自己將陷入的麻煩。

牛頓是第一個(gè)解釋白光可分解成不同顏色的人

盡管牛頓在力學(xué)或引力方面的研究成果享譽(yù)全球，但他對光如何工作的解釋，在今天并不那樣廣為人知。他解釋了反射和折射、吸收和透射，甚至白光是如何由顏色組成的。當(dāng)光線從空氣進(jìn)入水中又回到水中時(shí)，光線就會彎曲，在每一個(gè)表面都有一個(gè)反射分量和一個(gè)穿過的分量。

他關(guān)于光的“微粒”理論是以粒子為基礎(chǔ)的，他認(rèn)為光是一種光線的觀點(diǎn)與各種各樣的實(shí)驗(yàn)一致。盡管當(dāng)時(shí)有一種與牛頓同時(shí)代的光的波動理論，由克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）提出，但它無法解釋棱鏡實(shí)驗(yàn)。牛頓的理論，就像他的力學(xué)和萬有引力一樣，是一個(gè)贏家。

托馬斯·楊：光線的波浪狀特性

但就在19世紀(jì)初，這個(gè)理論開始陷入困境。托馬斯·楊(Thomas Young)進(jìn)行了一項(xiàng)如今已成為經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，他通過一條雙縫來傳遞光線：兩條狹窄的狹縫以極小的距離分開。光線表現(xiàn)得不像微粒，它要么穿過一條縫，要么穿過另一條縫，而是呈現(xiàn)出一種干涉模式：一系列明暗條紋。

此外，條紋的圖案是由兩個(gè)可調(diào)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)決定的：狹縫間距和光的顏色。如果紅光對應(yīng)長波長光，而藍(lán)光對應(yīng)短波長光，那么光的表現(xiàn)就會和波的表現(xiàn)完全一樣。楊的雙縫實(shí)驗(yàn)只有在光線具有基本的波狀性質(zhì)時(shí)才有意義。

用光進(jìn)行的雙縫實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干涉圖案

盡管如此，牛頓的成功不能被忽視。19世紀(jì)初，光的本質(zhì)在科學(xué)家中成為一個(gè)有爭議的話題。1818年，法國科學(xué)院舉辦了一場解釋光的競賽。是波浪嗎?是粒子嗎?如何測試它，如何驗(yàn)證該測試?

奧古斯丁-瓊弗倫（Augustin-Jean Fresne）雖然接受過土木工程師的訓(xùn)練，而不是物理學(xué)家或數(shù)學(xué)家的訓(xùn)練，但他還是參加了這項(xiàng)比賽。他根據(jù)惠更斯17世紀(jì)的研究成果和楊最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了一種新的光波理論，他對此非常感興趣。所有物理學(xué)中最大的錯(cuò)誤都發(fā)生在這個(gè)舞臺上。

利用不透明球體，測試光的性質(zhì)

提交作品后，著名的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家西蒙·泊松（Simeon Poisson）對菲涅爾的理論進(jìn)行了詳盡的研究。如果光是一個(gè)微粒，就像牛頓所說的那樣，它會在空間中以直線運(yùn)動。但如果光是一種波，當(dāng)它遇到阻擋層、裂縫或表面的“邊緣”時(shí)，就必須進(jìn)行干涉和衍射。不同的幾何構(gòu)型會導(dǎo)致不同的特定圖案，但這個(gè)一般規(guī)則是成立的。

泊松設(shè)想了單色的光：菲涅耳理論中的單一波長。想象一下，這束光形成了一個(gè)圓錐形的形狀，并遇到了一個(gè)球形物體。在牛頓的理論中，你會得到一個(gè)圓形的陰影，周圍有光。但是在菲涅耳的理論中，正如泊松所證明的，在陰影的中心應(yīng)該有一個(gè)單獨(dú)的亮點(diǎn)。泊松斷言，這個(gè)預(yù)言顯然是荒謬的。

中間亮點(diǎn)是荒謬，致許多人忽視波浪理論

泊松試圖證明菲涅耳的理論是錯(cuò)誤的，因?yàn)檫@個(gè)理論會導(dǎo)致了一個(gè)邏輯謬誤：歸謬法。泊松的想法是推導(dǎo)出一種由光即波理論做出的預(yù)測，這種預(yù)測會產(chǎn)生如此荒謬的后果，以至于它肯定是錯(cuò)誤的。如果這個(gè)預(yù)測是荒謬的，那么光的波動理論肯定是錯(cuò)誤的。牛頓是正確的，菲涅耳是錯(cuò)誤的。

不過，這本身就是物理學(xué)史上最大的錯(cuò)誤!如果不進(jìn)行關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)，你就無法得出結(jié)論，不管它看起來多么明顯。物理學(xué)不是由優(yōu)雅、美麗、論點(diǎn)的直截了當(dāng)或辯論決定的。它是通過訴諸自然來解決的，這意味著進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。

值得慶幸的是，對于菲涅耳和科學(xué)界來說，評委會的主席不會再有泊松的詭計(jì)了。弗朗索瓦·阿拉戈(Francois Arago)不僅為菲涅耳(Fresnel)辯護(hù)，也為整個(gè)科學(xué)研究過程辯護(hù)。后來，作為一名政治家、廢奴主義者、甚至法國總理，阿拉戈變得更加出名。他制造了一個(gè)球形障礙物，并在它周圍發(fā)出單色光，以檢查波理論對構(gòu)造干涉的預(yù)測。在陰影的正中央，可以很容易地看到一個(gè)光點(diǎn)。盡管菲涅耳理論的預(yù)測似乎很荒謬，但實(shí)驗(yàn)證據(jù)卻證明了這一點(diǎn)。不管荒謬與否，大自然已經(jīng)說過了。

在物理學(xué)中，你可能犯的一個(gè)大錯(cuò)誤是假設(shè)你事先知道答案是什么。一個(gè)更大的錯(cuò)誤是假設(shè)你甚至不需要進(jìn)行測試，因?yàn)槟愕闹庇X告訴你什么是或不為自然所接受。但是物理學(xué)并不總是一門直觀的科學(xué)，因此，我們必須總是依靠實(shí)驗(yàn)、觀察和對我們的理論進(jìn)行可測量的測試。

如果沒有這種方法，我們就不會推翻亞里士多德的自然觀。我們永遠(yuǎn)不會發(fā)現(xiàn)狹義相對論，量子力學(xué)，或者我們現(xiàn)在的引力理論：愛因斯坦的廣義相對論。當(dāng)然，如果沒有它，我們也不可能發(fā)現(xiàn)光的波動性質(zhì)。

物理學(xué)史上最大的錯(cuò)誤已經(jīng)過去200年了。事實(shí)證明，這個(gè)錯(cuò)誤并不重要，這只是因?yàn)楦ダ仕魍摺ぐ⒗?Francois Arago)的科學(xué)正直，他不怕站出來捍衛(wèi)所有科學(xué)中最重要的原則。我們必須通過考驗(yàn)宇宙本身來回答關(guān)于宇宙的問題。畢竟，在牛頓的觀點(diǎn)中，他自己寫道:

我在這本書中的設(shè)計(jì)不是用假設(shè)來解釋光的特性，而是用理性和實(shí)驗(yàn)來提出和證明它們。

沒有實(shí)驗(yàn)，我們就沒有科學(xué)。假設(shè)我們可以看到一個(gè)預(yù)測，然后宣布它是荒謬的，這是我們?nèi)祟惖囊粋€(gè)巨大失敗。自然可能荒謬，也可能不荒謬;這與它是否正確無關(guān)。為了把它做好，你必須做測試。沒有它，你根本就不是在做科學(xué)。

—?THE END —

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