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| 2024/10/12 06:10:11瀏覽128｜回應0｜推薦5 | |
| Excerpt：蓋文‧普瑞特─平尼的《波的科學：細數那些在我們四周的波》 以綿長的波浪，我找回我自己，反思 每個波峰都有些起伏的亮光或暗影，有些回想 喜悦、旅行、學習，靜默的風景，稍縱即逝的景色 久遠之前的戰爭，戰鬥、醫院的景象、傷兵和犧牲者 我自己走過每個逝去的階段，我無所事事的青春，手中只有老邁 六十多年的人生累積，更多歲月來了又去 依據嘗試過的偉大理想，沒有意圖，整體而言毫無意義 某些時候碰巧合於上帝的安排，某些波浪，或一部分波浪， 如同你的以及許多人的海洋 By that long scan of waves, myself calld back, resumed upon myself, In every crest some undulating light or shade—some retrospect, Joys, travels, studies, silent panoramas-scenes ephemeral, The long past war, the battles, hospital sights, the wounded and the dead, Myself through every by-gone phase—my idle youth—old age at hand, My three-score years of life summd up, and more, and past, By any grand ideal tried, intentionless, the whole a nothing, And haply yet some drop within Gods schemes ensemble-some wave, or part of wave, Like one of yours, ye multitudinous ocean. ——惠特曼，《草葉集》 長期以來，個人的書摘分享都是以文學書類居多，而物理科學則是相對較少。 這本《波的科學》，主要是延續作者蓋文‧普瑞特─平尼的前一本《看雲趣》而借閱，可惜礙於個人興趣及理解程度，只能簡單分享一段光學的歷史，以下摘要內容希望不至於太過混亂啊！ https://www.books.com.tw/products/0010856800 波的科學：細數那些在我們四周的波 The Wavewatcher’s Companion 作者：蓋文‧普瑞特─平尼 原文作者：Gavin Pretor-Pinney 譯者：甘錫安 出版社：貓頭鷹 出版日期：2020/05/14 作者簡介 蓋文‧普瑞特─平尼Gavin Pretor-Pinney 「賞雲協會」（The Cloud Appreciation Society）與《遊手好閒》雜誌（Idler Magazine）創辦人。喜歡觀察波浪，包括海上的波濤還有足球場裡觀眾的波浪舞。著有《看雲趣》等書。 【Excerpt】 〈第八波 為世界帶來色彩的波〉(The Eighth Wave which brings colour to our world) …… 塞繆爾．強森觀察到：「我們都知道光是什麼，但很難說出它是什麼。」(‘We all know what light is; but it is not easy to tell what it is,’) 他說得沒錯。光讓我們能看到東西，所以要清楚說明光的本質成為極難克服的挑戰。 我必須坦白承認一件事。我一直把光描述成一種波，但其實沒有這麼單純。17世紀英國物理學家（以當時的說法是「自然哲學家」）羅伯特．虎克於1665年提出光的波動理論。大約25年後，荷蘭的克里斯提安．惠更斯發表數學證明，指出我們能以波來解釋光的許多特性，加強了這個理論。 這個理論有個問題是說明光波靠什麼傳播。海浪靠海水傳播，音波靠空氣（或其他物質），但光是讓什麼東西「波動」？其他波都需要介質，光卻能在真空中傳播，所以波動理論學家必須提出傳遞光的以太，但沒有人知道以太是什麼。 牛頓爵士在1704年首次出版的重要著作《光學》（Opticks）中提出另一個大不相同的概念。他提出光或許不是波，而是極小的粒子或微粒（corpuscle）。《光學》成為整個18世紀研究光的性質的決定性著作，所以這個概念維持的時間相當長（不過這本書這麼重要，牛頓應該檢查一下書名的拼字才對）。 牛頓透過巧妙的實驗和熟練的推論，說明光透過玻璃時如何以及為何產生繞射現象，並證明稜鏡能把日光分成構成它的彩虹光譜。粒子理論在這本書中一點也不重要。事實上，這本書只在1717年的修訂版結尾的「問答」中提到粒子理論：「光線是不是發光物質放射的十分微小的粒子？」(‘Are not the rays of light very small bodies emitted from shining substances?’) …… 楊格生於1773年，是傑出的通才學者，兩歲時就學會閱讀，四歲時就從頭到尾讀完整本聖經兩次。大約30年後，他畫了一張讓所有的蛾都會驚訝不已的圖。 1807年，楊格在英國皇家學會以「自然哲學與機械技藝」為題演講時，展示了這張圖。這張圖原本是要說明「把兩個一樣大的石頭同時丟進池塘時」形成的波浪交互作用圖形。據說楊格的靈感來自劍橋伊曼紐爾學院池塘裡兩隻天鵝製造的重疊漣波圖形。但他展示這張圖的用意不只是說明水波的特性，也是說明光的特性。 楊格認為，這張圖除了代表水面的漣波，也代表一道日光通過紙板上的兩道狹縫（圖上分別標示為A和B）後以波的形式穿出。光既然是波，就應該會由兩個狹縫向外擴散，就像水波通過海堤的狹窄空隙一樣，這種常見的波的特性稱為繞射。楊格推斷，如果光是波，則由兩個狹縫射出的重疊光束應該會像重疊的水波一樣互相干涉，但結果不是起伏較大和較小的水面，而是較亮和較暗的光。起伏較大的水面或建設性干涉是較亮的區塊，起伏較小的水面或破壞性干涉則是較暗的區塊。楊格解釋，他的實驗結果確實如此。 …… 1900年12月，德國物理學家普朗克無意中投下變數。他提出一個看似單純的「如果」問題，後來成為波動說支持者的頭痛問題。普朗克投入五年的時間，試圖提出燈絲放射的光取決於金屬溫度的理論模型。 …… 普朗克假設高熱金屬放射的光和熱是不可分割的微小能量，並命名為量子（quanta）。他發現這樣就能精確預測不同溫度時放射的頻率。他設計這套能量量子系統，只是當成讓計算結果符合實驗數據的數學技巧。他推測放射光的頻率愈高，這些想像的量子攜帶的能量愈高。他和當時其他物理學家一樣，相信光是一種波，而且只要假以時日，我們也能以波來描述發光金屬放射的光和熱。 但幾年之後，愛因斯坦在他那成果出奇豐碩的1905年提出，普朗克的量子系統或許不只是數學技巧。這名當時沒沒無名、在瑞士伯恩專利局勉強餬口度日的物理學家發表一篇論文，提出電磁輻射其實就是量子能量封包。他提出，如果這些不可分割的能量包是光、甚至是所有電磁波的物理性質呢？如果加熱到發光的金屬放射的其實是一包包能量呢？如果真是如此，則反過來講應該也是對的：金屬吸收的也是一包包能量？如果能透過實驗驗證，我們對光的所有理解將徹底改觀。 這篇論文發表於1905年3月，是愛因斯坦當年撰寫的五篇開創性論文中的第一篇。這五篇論文非常重要，因為它們將成為近代物理學的基礎。這幾篇論文中包含這位年輕物理學家相對論的先聲。但依據愛因斯坦本人表示，其中只有光由不可分割的能量封包（量子）構成的概念「具有革命性」。 愛因斯坦假設，如果光是以封包方式放射和吸收，則光的各種頻率或波長，以及在我們眼中的各種色彩，差異可能只是它們的量子所含的能量。他提出，要實際呈現這個理論，或許可以透過特定金屬吸收光後出現的光電效應。 …… 愛因斯坦1905年的革命性論文提出，如果光確實由量子構成，則電子被打出金屬表面的原因或許是光量子被吸收時產生的光電效應。他預測，如果確實如此，則每秒鐘脫離金屬表面的電子數目應該取決於每秒鐘到達的量子數目，也就是光的強度。同時，它們脫離的最大速度則取決於每個打出它們的量子的能量，或說光的頻率，也就是它的色彩。 10年後，1916年，愛因斯坦的預言被證實。頻率較低的紅光照射在某些金屬上時，無論強度多強，電子都不會脫離金屬表面。另一方面，頻率中等的綠光則可輕易打出電子。但無論綠光強度多強，電子脫離時的最大速度都相同。頻率較高的紫光照射金屬時，即使紫光強度非常弱，脫離的電子速度依然比綠光快。 這些現象沒辦法以光的波動說解釋，但如果光由能量包構成，且每個量子包含的能量依頻率而定，就完全說得通了。光電效應似乎證實了愛因斯坦的說法，確定光由分離的量子構成，而不是擴散的波。 …… ……以量子物理學創立者保羅．狄拉克的說法，彷彿「每個光子只跟自己互相干擾」(‘each photon then interferes only with itself’)。讀者或許會想，一個光子自己在黑箱子裡做些什麼是它自己的事，跟別人無關。但狄拉克實質上承認我們完全不知道單一光子為什麼有時具有波的特性。 這類由小點組合而成的影像讓人想到點描畫派。我們可以拿它和保羅．希涅克1888年描繪布列塔尼波爾特里歐港漣波蕩漾的畫作相比。點描畫派絕對是最花功夫的上色方法。畫家用極小的彩點建構整個畫面，一個小點一個小點慢慢描畫。（這類繪畫中最著名的作品是喬治．秀拉的《大嘉特島的星期天下午》，共花費兩年才完成。）畫家或許能以點來定位，但誰來決定光子該怎麼排列？是什麼看不見的手讓它們起初在螢幕上看來像隨機排列，但一段時間之後逐漸構成點描畫派的波干擾圖形？ 每個光子的路徑好像是由波來決定。光似乎在行進時像波，而接觸相機時又像粒子。物理學家湯姆森 (George Paget Thomson) 曾經說過：「粒子一旦出現，波就像睡醒時的夢一樣消失無蹤。」( ‘the wave disappears like a dream when the sleeper wakes.’) 這是量子力學看似矛盾的世界。現在我們可以藉助量子力學，以數學方式描述電磁波的雙重人格特質。這個理論能充分解釋看來矛盾的光的特性，但能幫助我們進一步了解光實際上是什麼嗎？依據史上最傑出量子物理學家理查．費曼的說法，答案是否定的：「我們還是無法了解……因為我不了解，而且沒有人了解。」(‘you are not going to be able to understand…That is because I don’t understand. Nobody does.’) 研究量子物理的科學家大多認真地表示，他們和其他人一樣覺得光的性質非常神秘。1951年，愛因斯坦自己寫道： 我認真思考了50年，卻沒有更接近「光量子是什麼？」這個問題的答案。當然現在每個渾球都以為自己知道答案，但其實只是欺騙自己。 (All the fifty years of conscious brooding have brought me no closer to the answer to the question, ‘What are light quanta?’ Of course today every rascal thinks he knows the answer, but he is deluding himself.) |
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| ( 知識學習｜隨堂筆記 ) |
