第四回 真空之谜 终见分晓实验上台 初显神威

真空有无，朦朦胧胧。托罗拆利实验使真相大白。牛顿在光学领域又有神奇发现。光的微粒说和波动说二论，持续交战 300 多年。激光器的发明， 造福人类。

且说物理学归根结底是一门实验的科学，离开了物理实验，就无法了解物理学的发展。在物理学发展过程中，无不伴随着实验。

今天，我们才认识到实验的重要性。物理学在研究物质组织成分及相互关系时，就是通过观察和实验，才认识这一自然现象。对这个现象加以分析， 才能得出定律及推广。如果没有实验，现代科学永远也不会达到目前的高度。

物理学能发展到今天这样系统的实验科学，不是生来就有的，而是经历了一段漫长而曲折的过程。

原始社会，人类的生产劳动是以创造工具开始。那时根本不知何为实验， 人们只是从经验中发现，石刀、石斧的刃部可以集中较大的力。但他们并不知道为什么产生这么大的力。工具的进一步发展，导致了简单机械的出现。由于运输、举重物的需要，逐步出现了杠杆、滑轮、斜面等装置。

由此可见，人类在运用工具劳动及生产工具中，积累了大量的经验，其中也孕育了一些力学知识。

公元前 10 世纪到公元前 2 世纪，奴隶社会科学发展的高峰在古希腊，它是欧洲古代科学发展的中心，也是近代科学发展的源泉，对后来科学技术的发展有着深刻的影响。

恩格思说：“在希腊哲学的多种多样形式中，差不多可以找出以后各种观点的胚胎萌芽。因此，如果理论自然科学想要追溯到自己今天的一般原理发生和发展的历史，它也不得不回到希腊人那里去。”

当时，古代文明发展发达的地中海沿岸涌现了一大批自然哲学家，亚里士多德（公元前 384—322）则是他们的智慧集中的代表，在科学史上占有特殊重要的地位，被马克思称为“古代最伟大的思想家”。

亚里士多德集古代知识之大成，构成了一个无所不包的庞大的知识体系，他是最早区分哲学和自然科学研究的对象。

他把处在被观察之中的运动和变化的对象的研究，统称为“物理学”， 对物体的始因、本质、存在的基础等等的研究则作为哲学的任务，称为“物理学续篇”，或称“形而上学”。亚里士多德把自然科学（物理学）和哲学区分开了，拉开了古代自然科学独立的序幕。

亚里士多德的“物理学”中对后世影响最大的是运动学。他在运动学中叙述：物体下落时，如果它越重，下落的倾向越大，落得越快；如果它较轻， 下落的倾向小些，落得就较慢。

亚里土多德除了解释天然运动外，还解释了一种非天然运动或强迫运动。如马拉车行进，奴隶牵船行驶⋯⋯这些运动必须有一个推动者。

他还解释一支箭射出去，是什么维持它连续不断地疾进呢？他认为空气是箭连续疾飞的推进者。箭的前面空气分裂开道，箭尾的空气合拢而推进它。一切抛射体的运动都需要空气的推动。

因此，他提出自然界不可没有空气，真空是不可能存在的，于是他提出

了一个错误命题：“自然界憎恶真空。”

由于古代生产水平低下，人们对自然规律的认识，除了直接的生产经验的积累外，就是靠对自然界的观察和在这些观察、经验的基础上进行的思考。他们很少或从来未试图以实验证据来验证他们的思考。

到了后期，大约从古希腊的阿基米德（公元前 287—212）时代开始，我们才发现有实验工作的迹象。

到了中世纪（公元 5 世纪到公元 15 世纪），欧洲科技处于“黑暗时期”， 伴随着奴隶制的衰落而兴起的基督教成为国王君主统治的工具。

为了给宗教披上一层科学的外衣，他们需要寻找一种能与宗教教义相容的科学，为此，他们去掉了亚里士多德等人学说中的唯物部分，构成了一个与基督教教义一致的坚固大厦。

他们歪曲事实真象，如亚里士多德说：“凡是运动都需要不断施加力。” 他们便由此推论：“天体是被有智慧的本质所推动。”这个智慧的本质，当然就只有上帝才能胜任。亚里士多德主张世界万物有一个基本属性，就是物各有其位，物知其位，土居最下，水居土上，风高于水上，火居最上，蚁自知勤奋，狗忠于主人⋯⋯这些物性图象，正好满足封建等级制的要求，他们保留。

至此，人们思考问题，观察现象，都不能违背这些与教义相一致的权威思想，在这种观点的统治下，人们对实物观察与实际经验采取完全蔑视的态度，更谈不上有目的地进行实验。

人们对一些与实际不一致的理论，由于宗教思想的影响，只能一味地翻来复去地争论不休，却没有人去做实验。

宗教学院的学风又称为经验哲学，它的基本特征是：人的知识不是来源于自然界，而是存在于教义之中，科学和哲学的根本目的，在于适应神学。该教统治严重妨碍了自然科学的发展。

到了 16、17 世纪，随着航海贸易的兴盛，风力和水力的利用，采矿和冶炼的发展，印刷术和火药的传入，提出了一系列的问题，要求科学家冲破宗教的约束，用崭新的观点来看待世界。

首先受难的科学家是哥白尼。他在临终前出版了《论天体运行》，书中提出了日心说而非地心说，这就将上帝的特殊地位一扫而光，当然遭到了教会的竭力抵制，被列为禁书。意大利的哲学家布鲁诺，因宣传支持和发展哥白尼学说，被宗教势力残酷烧死于罗马的鲜花广场。

新的科技力量已萌芽，它的发展是漫长而曲折的，人们在怀疑、抵制旧科学的同时，也酝酿着研究自然科学的方法。

第一个探索新方法的是英国哲学家培根，其代表著就是《新工具》一书。他主张把经验和理性的职能统一起来，要获得科学知识首先要广泛地收集材料，进行实验，从而由经验和实验得出结论。

再一个提出科学实验并进行完整实验的是意大利的科学家伽利略。他认为真正的科学就是宇宙、自然界。人们必须通过实验去阅读这部“自然之书”， 为此他进行了大量的实验工作。

他得出的许多结论，就是建立在实验基础上。尽管从今天角度看，他的实验工作过分简单、原始，但这原始形态里面，已包含最本质的特征。现代的科学实验是错综复杂的，它的基本道理和原始形态是一致的。

现在我们可以说培根、伽利略在实践和理论上的工作给科学指明了方

向，由此，自然科学才完全脱离哲学，成为一门独立的学科。

进入 17 世纪，试图作实验的人已经变得不稀罕了，但大多数所谓的实验都不系统、不准确，也都是在不明确的条件下进行的。所得到的只是一些混乱的观察材料。

伽利略做过哪些实验，目前不知。他在《新科学对话》中叙述了许多巧妙的实验，说明他有构思实验的才能。但他在书中没有具体记载实验结果， 不清楚哪些是自己做的。

伽利略的学生托里拆利（1608—1647）是一位出类拔萃的实验家。

17 世纪 50 年代以后，通过对大气压和真空的研究，首次在物理学中确定了近代真正的实验方法。

17 世纪，承认真空存在的大有人在。例如，贝克曼（1588—1637）就承认真空，他注意到空气中各个方向都有压力作用，空气有压缩性，并想到了说明这些事实的模型。

但是，要把它们变成实验研究的对象，只有靠技术上的实际经验。

伽利略也叙述了一个工匠的经验知识：在大约 10 米多深的水井里，水泵不起作用。从罗马时代以来，就使用虹吸管输送水，然而丘陵太高，虹吸管不起作用了，这也是经验知识。

伽利略解释说，虹吸管和水泵之所以不起作用，是因为“克服自然对真空的阻力”的大小是有限的。

1640 年前后，以罗马数学家、天文学家伽斯帕罗·贝尔蒂为首，组织一批人进行了抽取真空的实验。

实验过程如下：把一个装有活栓的玻璃钟接到将近 10 米长的铅管上端， 顺着房子的墙壁立放着。在管子下端加上活栓，然后放进充满水的桶中，给管子充满水后，关闭上面活栓，再开启下部活栓。这样一来，管内的水下降了，但是下降到一定的位置后，即使放一天，这个状态也不会变化。

直到 1648 年，除了参加的人员外，谁也不知道贝尔蒂的这个实验。因为无人知道出现这种现象的原因。

托里拆利也参加了这个实验，另外，伽利略也曾启发过托里拆利里用水银做同样的实验。

托里拆利对这个问题进行了长时间的探索，他从力学的观点出发，设想空气有重量，正是在空气重力的作用下，才把水压到一定高度，水只能上升到 10 米左右，证明空气压强有一定数值。

为了证实自己的观点，1643 年托里拆利将密度为水的 13.6 倍的水银， 注入到 1.2 米长的一端封闭的玻璃管中。

当水银注满时，用拇指堵住开口的一端。垂直地倒立于水银槽里。松开拇指后发现，管中的水银柱开始下降，一直到比槽中水银面高出 0.75 米左右，并在管的闭端留下一段真空。这就是著名的托里拆利实验。

为了弄清楚上部空处确实是真空，他给水银槽的水银上面加满了水，把管子慢慢地往上提。当管子下端刚刚处于有水的部分时，管内的水银全部流下去了，水一下子就涌上管内，充满管子。

托里拆利认为，这一事实表明，管子的上部确实是空的。接着，他又就水银柱停留在管内的原因进行了探讨，想要打破以往的观点。

他提出，过去人们把原因归结为管内真空的阻力，或归结为稀薄的媒质， 其实原因在管的外部，在于空气加压于水银槽的液面。

为了给这种想法寻找证据，他用一个上部粗大的管子和一个上下同样粗细的管子进行同样的实验，比较二者的结果。如果原因在于管内的空处，那么在这两种情况下，管内的水银高度当然应该不同。

但是，实验结果表明，无论在哪一种情况下，水银都升到相同的高度。这样就证实了以上结果。

托里拆利主张，真空是存在的，以往归结为害怕真空和阻力的现象，实际上都是由大气压引起的。他的真空观念是对中世纪教会哲学的大胆挑战， 因此，实验结果被教会当作秘密保守起来。

1644 年中，法国人迪·韦迪斯在意大利旅行时，写信把托里拆利的实验告诉了梅尔桑内。同年秋，梅尔桑内前往意大利，拜会了托里拆利，让托里拆利亲自做实验给他看。从此，托里拆利的实验在法国传播开来。

梅尔桑内在法国立即进行了托里拆利实验，可是结果并不理想。原因在于搞不到合适的玻璃管。

法国物理学家、数学家，哲学家和散文学家帕斯卡（1623—1662），从他父亲的朋友那里，听到了托里拆利真空实验的消息，立刻产生了浓厚的兴趣。他重复了托里拆利实验，使托里拆利实验在法国再现成功。

帕斯卡之所以成功地做了托里拆利实验，是因为他家住在玻璃工业区鲁昂，工厂按订货单的要求为他制造了各式各样的装置。

通过这个实验，帕斯卡确信真空的存在，可是为了使人们接受这一结论， 还必须补充更多的实验才行。

人们都承认托里拆利实验，不过许多人却解释说，水银柱上部的空处充满着看不见的气。这种气被看作是从液体中升上去的。

帕斯卡公开进行了下述实验：用两根一端封闭的玻璃管，一个装水，另一个装葡萄酒，进行托里拆利实验。实验之前，他让见证人预言，哪一根管子的液体变得较低一些。他们都说，装葡萄酒的管子液面低，因为具有挥发性的葡萄酒要挥发更多的气体，会把液柱压下去。

实验结果与预言完全相反，下降得较低的却是水柱。在这些实验的基础上，帕斯卡在 1647 年 10 月出版了《关于真空的新实验》的小册子。

在这本小册子中，帕斯卡描述了托里拆利实验和虹吸管实验以及由他们演变而来的实验。他得出结论说，实验显示出的管内空处并不含有存在于自然界中的任何物质，也就是说它是真空，而且自然对真空的害怕是有限的。照此来看，帕斯卡在这个阶段还没有讲到大气压把液体压入管内，还是

使用了害怕真空这样传统用语。

帕斯卡后来想到了大气压，并且证明水银停留在管内是由于大气压的作用。他做了两个实验，其一是所谓真空中的真空实验，其二是表明水银柱在山顶上变低的实验。

第一个实验是把一个细玻璃管插入一端封闭的粗玻璃管内，把封闭的下端固定，给它充满水银，并用活栓将其塞住。接着，给粗管也充满水银，把整个装置倒立在水银槽内，这时粗管中的水银下降到 76 厘米左右的高度。然后打开固定在粗管内部的细管活栓，尽管细管口浸在粗管的水银内，细管内的水银也要下降到与粗管的水银面一样的高度。这无非是因为粗管内的水银面暴露在真空中，大气压不起作用的缘故。

其次，在山顶的实验更能直接地证明，水银柱停留在管内是由于大气压的作用。

帕斯卡委托住在克莱蒙的内兄弗洛兰·佩里埃进行了这个实验。因为在克莱蒙附近有一座高约 1000 米的山。佩里埃在 1648 年 9 月 19 日作了这个实

验，确证了山脚下和山顶上水银柱高度相差将近 8.5 厘米。

帕斯卡得知上述情况后，也在巴黎约 50 米的雅克塔顶上和塔下面亲自进

行了实验，确证塔顶的水银柱比塔底的低 0.45 厘米左右。为此帕斯卡写了一本小册子：《关于流体平衡的重大实验记叙》，报告了这些结果。他提出， 以前归结为害怕真空的事实，都是由空气的重量和压力引起的。

帕斯卡运用各种各样的实验或思想实验，展开了巧妙的推论。

帕斯卡把水压机模型作为一切推论的基础。水压机模型是这样的：在一个盛满水的容器中，安装两个粗细不同的圆筒，把活塞分别插进各个筒中， 如果在两个活塞上分别加上与其面积成正比的重物，那么两活塞下的水面受到相等的压力，整个装置就处于平衡。

帕斯卡阐述其理由如下：在流体内部加在某一部位的力，由于流体的连续性和流动性而传到容器的所有部分。而且，由于流体的某一部分没有任何理由比其他部分更多地让步，在上述情况下，容器中的水处于平衡而静止。这就是帕斯卡定律。

水压机平衡条件一经确立，就可以用它解释流体静力学。给底面积相等、形状不同的各种容器注满水时，其底面所受的力仅取决于水的高度，而与容器内水的重量无关。

根据流体平衡条件，可以解释各种各样的实验。

在长玻璃管的下端放一铜板，然后放入水中，刚一松手时，铜板受到水的压力紧贴在玻璃管的下端，由于上面只有空气的压力起作用，所以它们不下沉。

相反地、木块在水中不浮的实验也是可能的。木块受到来自上面的水压和来自下面空气压力的作用，由于水的压力强，木块就不会浮上来。

从上面实验可以得出结论，浸在水中的物体，在所有的方向受到与水的深度成正比的压力。在物体具有一定大小的情况下，通过计算来自各个方向的压力，就能导出浮力。如果把压缩的物体放入水中，由于受到来自各个方向的压力，它可能会变形。

经过不懈的努力，以托里拆利实验为开端，帕斯卡的流体实验为转机， 实验科学很快就传播到欧洲各国。人们从此能够自觉地认识到科学实验的重要意义。

再说在托里拆利、帕斯卡进行各种实验的同时，德国的马德堡市市长格里凯（1602—1686）也对真空的争论产生了极大的兴趣。

他认为：“雄辩术，优雅的语言或争论的技巧，在自然科学的领域中， 是没有用处的。”必须让实验事实来说话，为此他独立进行了一些实验工作， 并花了大笔资金。

起初他用一只大酒桶，里面灌满了水，叫三个壮汉用黄铜抽水泵，把桶里的水往外抽，随即听到一些噪声，似乎桶内剩余的水在剧烈地沸腾，可是当水即将抽尽时，桶外的空气又从桶缝侵入，第一次实验失败了。

后来他又改用一个中空的黄钢球作试验。开始时，抽水泵的活塞很容易被移动，而以后要用两个人的力气才能勉强拉动。由于容器不够坚固，到快要抽空时，突然出现大霹雳声，铜球被大气压瘪了，使大家大吃一惊。

最后，他改用一个又大又坚固的中空金属球做试验，终于获得了真空。

格里凯激动地描述道：“当打开活塞时，空气以这样大的力挤进铜球内， 恰似它要把附近一个人拉进铜球里一样。虽然你在一段相当的距离内捂住你的脸，但你的呼气被吸走了。的确，当你用手抓住活塞时不能不冒着被猛然拉下的危险。”

1650 年，他成功地发明了抽气泵，这是人类历史上最早的真空机械。利用抽气泵所获得的真空度，有了很大的提高，提供了获得真空的实用手段。这个抽气泵是这样的：带着龙头的活塞是可以拆开的，因此可以将实验

对象放进容器里。为了特别注意防止漏气，活塞固定于盛在圆锥形容器内的水的下面。

此后，格里凯的主要精力又投入到了真空特性的实验研究，获得了许多具有重大价值的发现。

人们用这个泵实验：放在真空中的钟听不到它的响声；放在里面的火焰熄灭了；放进去的鸟张开大嘴拼命地吸气，而最后死去；葡萄在里面能保存6 个月。

他将抽气泵上头与抽空的玻璃球相接，下头浸没于水中的长管就制成了格里凯式气压计。与托里拆利一样，他以空气的压力来解释管中水面的上升。一个浮在水上的小木人在管中上下运动，并用它的手指指出各个时刻空气的压力。他观察水柱的高度的起伏，用作天气预报。

格里凯的另一重大发现是空气可以膨胀，产生强大压力，并发现了强大的空气压力对真空容器的作用。“马得堡半球”实验在科学史上传为美谈。从 1654 年起到 1663 年，格里凯进行了大量的实验，证实空气压强的存

在。他的实验结果，曾经引起当时社会上的轰动，简直令人难以置信。 1654 年，他做了一项实验表演给帝国国会和皇帝斐迪南三世观看。实验

是这样的：他做了两个中空的金属半球，直径有 1.2 英尺，扣在一起，然后

抽去空气，再用 16 匹马，每个半球 8 匹马对拉也未拉开。他的实验和表演， 在科学史上留下了重要的一页。

格里凯的实验结果，今天看起来很简单，但是在 17 世纪中叶，曾经是难以攻破的难关，不但需要高超的实验技巧，而且要冲破传统观念的严重束缚。

在大气压方面作出贡献的还有英国物理学家波义耳（1627—1691）。 他获悉了格里凯的抽气泵，亲自改良抽气泵实验。波义耳让他的助手胡

克（1635—1703）制造抽气泵，胡克发挥了实验家的卓越才能，制造出了比格里凯性能更好的泵。

波义耳也是培根派的实验家，他不象帕斯卡那样，能够根据透彻的推理论的实验导出理论性的结论。

他在《关于空气弹性的物理、力学新实验》一书中，叙述了许多实验， 其叙述不能说是明晰而系统的。重要的是，书中把托里拆利管内水银的上升看作是由外部气体的压力引起的，而且还包括显示空气具有弹性的许多实验。

波义耳发现了气体的压强与体积之间关系的定律，即波义耳—马略特定律。此后波义耳又进一步提出了这一定律可以用微粒说加以解释。后来牛顿和伯努利对波义耳定律的证明都采用了微粒说。

除此以外，波义耳还发现了声音传播需要媒质；对于水结冰时的膨胀力、物质的比重进行了测量；研究了光媒质的折射现象和折射率以及晶体的性质；还研究了电现象、流体静力学、热力学等。他还做过大量把力转化为热

的实验。

波义耳 1691 年 12 月 30 日逝世于伦敦，终身未娶。他是个虔诚的教徒， 也具有同时代的科学家的流行观点，即上帝只是原始的推动力，但并不干涉科学的具体规律。

却说光现象的研究也和大气压研究齐头并进，通过出色的实验工作，在17 世纪奠定了近代物理学的基础。

光是哲学家和自然哲学家十分关心的问题，在这个时期讨论的是关于光的本性的思辩和经验上的光的传播方式。欧几里德论述了光的直线传播和反射定律。在 2 世纪，托勒密就尝试依靠经验发现折射规律。以望远镜的发明

为转机，关于光传播的正规研究早在 17 世纪就开始了。

史料上记载最早进行光学实验的是希腊的天文、数学、地理、地图学家托勒密（90—168）。

他专门研究了折射现象，并为此作了专门的实验。他做了一个圆盘，围绕圆盘的中心有两个直线形标尺，他把有一个标尺的半个圆盘浸入水中，然后转动水上面的另一个标尺，使它看上去与水面下的标尺的延长线相重合， 再将圆盘从水中取出，就可测定入射角和折射角。

尽管托勒密的实验方法是正确的，但由于测量得不够精确，得出的结论却是错误的。他认为折射角与入射角成正比。不管怎样，他是第一个用实验测定折射角与入射角关系的人。

到了 17 世纪，刻卜勒对折射现象进一步作了研究。他断定托勒密关于折射定律的实验结论并不正确，他认为折射角与入射角的关系应分成两种情况：一种是当入射角小于 30 度时，折射角才正比于入射角，另一种情况是正比于入射角的正割。

刻卜勒还得出，玻璃的折射角不会超出 42 度，根据光路的可逆性，得到

全反射的重要结论：如果光线从玻璃入射到空气的入射角大于 42 度，那么就不会发生折射，而将完全反射。

正确的折射定律可以说是由两个人建立的。一个是荷兰的数学家斯涅尔

（1591—1626），另一个是法国的笛卡儿（1596—1650）。

斯涅尔于 1621 年做了实验，观察实验，他发现任意入射角和折射角的余割比为常数。斯涅尔从实际测量中抽象出这一定律，但并未公开发表，以上关系是在他去世后于 1626 年在他的遗稿中找到的。

1637 年，法国数学家笛卡儿认为光在本质上是一种压力，提出了光就是由某处介质传递压力的模型，从数学上导出了用正弦函数形表述的折射定律。

传统上人们认为，斯涅尔是第一个从物理上阐明了光的折射定律，而笛卡儿是第一个给出他的数学表述形式。因此，有 人称折射定律为斯涅尔定律， 有人称为笛卡儿定律。

牛顿不仅在经典力学研究上作出了巨大贡献，而且在光学上也有不少重大贡献。

牛顿在光学领域中的一个重要成就，就是发现了光的色散现象。

1666 年初，他开始对光颜色的本性问题进行研究。他用一个简单的实验证明了不同颜色的光有着不同的折射率。

实验是这样做的：他用一块长纸板；一半涂成鲜红色，另一半涂成蓝色， 把它放在窗户边，人眼通过一块玻璃棱镜来观察它。

他发现如果把棱镜的折射棱角朝上，这样纸板由于折射看起来好像被抬高了。而且折射的结果使蓝色半边比红色半边升得更高了；但当折射棱角朝下，则纸板由于折射看起来像是被放低了，此时蓝的半边比红的半边降得更低。

他由此断定：蓝光折射率比红光更厉害。

并且他发现用透镜来聚光时，蓝光与红光一定聚集在离透镜不同的地方。通过实验，果不出所料，纸板上蓝光成像清晰处比红光离透镜距离更近。

牛顿的另一个实验是观察白色阳光通过棱镜时所发生的现象。他用一个简单的装置将太阳光分解成光谱，并进行了观察。

他在暗室的一扇窗上开一个小圆孔，让一束窄的太阳光通过这个小孔进入室内，在光束经过的路径上放一块棱镜，再在棱镜后面置一屏幕，牛顿在屏上观察到一个由各种颜色的圆斑组成的像，这些圆斑依次排列，偏离最大的一端是紫光，偏离最小的一端是红光。

牛顿的光谱实验现在看起来无可非议，但是对于同代人来说，并不是容易理解的。人们觉得，牛顿提出的光和颜色的理论过于新奇了，因此，人们对牛顿的报告进行了各种不同的批判。

如巴黎耶稣教修道士帕迪斯神父读了牛顿的论文后，立即于 1672 年 4

月 9 日写信给皇家学会反驳说，光谱的伸长是由于太阳各部分发出的光线的入射角不同而产生的。

与此同时，科奈斯也在 1675 年批判了牛顿，他说光谱伸长是由于空中的云彩引起的。他是把带光闸的小孔和三棱镜分开进行实验的，也没有很好地研究就说光谱在三棱镜轴线方向伸长了。

为了反驳这些人，牛顿必须有充分的实验为依据。为此，牛顿又设计了另一个实验，即在上面实验的屏上再开一个小孔，让透过这个小孔的光线再经过第二个棱镜，并在它后面放一个新的观察屏。

他设想：若白光通过棱镜变成各种颜色的光是由于白光与棱镜相互作用的结果，那么，第二个棱镜还会与这些光再发生作用而改变这些光的颜色。但实验表明：第二个棱镜只把这束光整个地偏转一定的角度，并没有改

变光的颜色。牛顿转动第一个棱镜，使光谱中不同颜色的光先后依次通过第一个屏幕上的小孔，在所有这些情形下，这些不同颜色的光并不能被第二个棱镜分解，都只是偏转了一个角度，并且不同颜色偏转的角度也不同。

为了进一步证明白光是由各种颜色的单色光组合而成的，牛顿还做了一个实验，他用棱镜将白光束分解为光谱后，再通过另一个顶角较大的倒置棱镜。他设想，由于第二个棱镜顶角较大，使不同色光的偏折大于第一个棱镜， 所以不同色光又会聚起来，在第二个棱镜后面的某一区域交迭，如在这区域内置一屏幕，则屏幕上将重现白光。

这一实验成功了，从而证实了白光的确具有复杂的成份，并能分解成不同颜色单色光。而棱镜不能再分解它们，且每一种颜色的光都有自己确定的折射率。这就是著名的“光的色散实验”。

通过这一实验，牛顿为光的色散理论奠定了基础，并使人们对颜色的解释摆脱了主观视觉印象，从而走上了与客观量度相适应的轨道。

牛顿在光学中的一项精彩发现就是“牛顿环”。这是他在考察胡克研究的肥皂泡薄膜的色彩问题时提出的。

牛顿的牛顿环实验是这样的：取来两块玻璃体，一块是 14 英尺望远镜用

的凸透镜，另一块是 50 英尺左右望远镜用的大型双凸透镜，在双凸透镜上放平凸透镜，使其平面向下，当把玻璃体相互压紧时，就会在接触点周围出现各种颜色，形成色环。这就是牛顿环。

牛顿发现了牛顿环后，又对环的厚度进行了精确的定量测量，可以说他已走到光的波动说的边缘，但由于过分偏爱他的微粒说，故无法正确解释牛顿环现象。

关于光的本性的争论，大约持续了 300 多年。争论的焦点不外乎微粒说与波动说。微粒说以牛顿为代表，波动说以惠更斯、笛卡儿等人为代表。由于牛顿在物理领域的威望，以及利用光的微粒说解释光的色散的成功，直到19 世纪以前，微粒说在光学中占统治地位。

英国的物理学家托马斯·杨（1773—1829）发现了干涉现象。

19 世纪初，由托马斯·杨等人的一系列努力，又使光的波动说复苏起来， 为沉默已久的光的波动说的复兴吹响了号角。

他难能可贵的地方在于他不因牛顿的名望和权威，而对牛顿达到迷信的地步，杨氏从事实出发敢于对牛顿的微粒说提出异议。

他曾经说：“尽管我们仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是百无一失的，我⋯⋯遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”

杨氏从观察水波中的干涉现象受到启发，发现了光的干涉现象。

他说：设想有一组水波，它们以某个不变的速度沿平静的湖面运动，并进入一个狭窄的水道，水道是与湖相连通的。现在我们再设想，在某种因素的作用下形成了另一组同样的波，它与第一组波一样，以相同的速度到达该水道。这两组波互不干扰，它们的作用将结合在一起。如果它们到达水道时， 一组波的波峰与另一组的波峰相重合，那么将形成一组波峰更高的波。如果一组波的波峰与另一组波的波谷相重合，那么波峰将填平波谷，水面将平静。我假设，如果以与此相同的方式将两束光混合在一起，则会出现类似的效应。我们把这一现象称为光的干涉规律。”

杨氏巧妙地设计了一个演示实验。他在室外用镜子将阳光水平地反射到百叶窗上，阳光通过窗上一个事先钻好的小孔进入室内，他又将两张用卡片做成的纸屏放在桌上，第一个屏上用细针钻一个小孔，第二个屏上有两个小孔，进入室内的这束阳光经过第一个针孔后落在后面两个小孔上，从它们射出的两束很细的光，在纸屏上重迭后就形成了彩色干涉条纹。

若用单色光作实验，就会看到明暗相间的非彩色光带。后来，杨氏又改进了实验装置，用狭缝代替针孔，取得了更好的效果。人们把杨氏所做的这类实验，称为“杨氏干涉”或“双缝干涉”。

杨氏在 1800 年发表了题为《关于声学和光学方面的实验和问题》的著名论文。他指出，光如同声音一样，是一种振动，这种振动是靠以太传播的。他认为以太是充满整个字宙空间的，当物体发光时，就在以太中激起振

动，而人们之所以能感觉到颜色的不同，正是由于以太作用于视网膜上振动频率不同所致。

杨氏对波动光学的贡献是多方面的，他不仅第一个从实验上成功地演示了光的干涉现象，提出了干涉理论，而且还用干涉的概念解释了光的衍射现象。

他还根据他的干涉实验估算了光波的波长，认识到光波的波长是极短

的，这一点的意义也是重大的。

他还知道光所以会按直线传播而投下清晰的影子，就是因为它的波长比起普通物体的尺度小得无可比拟。此外，杨氏在解释双折射现象时，曾猜想光波的振动不是纵向而是横向的，光是横波这一点不仅对偏振光理论的发展起了决定性的作用，而且催生了麦克斯韦关于光就是电磁波的观点。

尽管托马斯·杨对光的干涉理论作了很好的有说服力的解释，然而在当时的英国却遭到了许多非难，甚至还出现了一些对他进行粗暴攻击的文章。有人宣称杨氏的文章“没有任何价值”，“没有值得称之为是实验或是

发现的东西”，指责他“除了阻碍科学的进展以外不会有别的效果”，还说干涉原理“荒唐”和“不合逻辑”等等。

可见，一个新的理论要得到社会的承认，并非易事。因为承认杨氏的结论就意味着对牛顿威望的挑战，而在当时，除了杨氏本人以外，大概暂时没人会这么做。

再说“光传播需要不需要时间？”这一直是物理学家颇感兴趣的问题。最早尝试测定光速的是伽利略。

他提出一种类似测声速的方法来测光速。由两个实验者各提一盏信号灯，分别站在已知距离的两端。第一个人先打开自己的灯，并同时开始计时； 而第二个人在看到第一个人发来的光信号时也立即打开自己的灯，当第一个人看到第二个人发回的光信号时立即停止计时，若测出的光信号往返所经过的时间，再除两地距离的 2 倍，就得到光速了。

在一个漆黑的夜晚，伽利略与他的助手来到佛罗伦萨郊外，在相距数公里的两个山头上做实验，结果却失败了。

伽利略测量光速的方法，从原理上说是正确的，但实际测试却未获成功， 其原因是光传播得太快了，光信号在这样两个山头之间一个来回的时间不到万分之一秒，靠当时简陋的计时仪器无法测出。

即使如此，并非一无所获，至少使人们认识到，光速实在太大，为测光速必须测极短的时间间隔。

第一个成功地进行光速测量的是丹麦天文学家罗默（1644—1710）。 他在观察木星时发现每隔一定周期会出现一次卫星蚀，而卫星蚀的时间

间隔却有长短，他就用光传播速度有限来解释。

所谓卫星蚀就是木星的卫星绕木星公转时，就像月亮有月蚀一样，当木星处于卫星和太阳中间时，也会发生木星的卫星蚀，木星的卫星绕木星公转一周要消失在木星的影内一次，两次消失所间隔的时间即为卫星公转的周期。

罗默发现地球并不能影响木星卫星的运动，木星卫星的周期有长短变化，从地球上观察木星卫星公转周期之所以有变化，乃是因为当地球背离木星运动时，从木星卫星发出的光要多走一段路程，这段附加路程需要附加时间，因此光不是瞬时传播的，而需要时间。罗默对木星卫星蚀周期进行了长期观察，求得光速为 2.15×10⁸ 米/秒，即每秒 21.5 公里。虽然这个数值并不精确，但求得光速有限的结论仍是一大贡献。

继罗默之后，英国天文学家布喇德累（1693—1762）又利用光行差法测定了光速。

由于地球绕太阳沿公转轨道运动，具有速度 v，因此由地面上的望远镜观测到天体的方向并不是它的真实方向，而是地球速度 v 与光速 c 两者的合

成，真实方向与速度合成方向夹角 Q 称为光行差。

1728 年，布喇德累测得光速为 3.03×10⁸ 米/秒，即每秒 30.3 万公里， 这个数值已十分接近公认值。

物理学家不满足于天文的方法来测定光速，他们进一步寻求在地球上测量光速的物理方法。1849 年，法国科学家斐索（1819—1896）用一个快速旋转的齿轮首次在地面上测得光速。斐索用这种方法算得光速为 3.133×10⁸ 米

/秒，即每秒 31.33 万公里。

此后，又有许多地面上测定光速的方法，较为成功的有 1860 年传科的旋转镜法。1926 年迈耳逊的多面镜法，测量的精确度逐步提高。

本世纪初，诞生了一种新的光学部件——克尔盒，它能让光束强度以极高频率作周期变化。

1941 年，美国的安德森用克尔盒测定光速。

他用克尔盒来调制光束，使光强度以 1.9×10⁷ 周/秒的频率变化。光束先经克尔盒 K，再经半反射镜 M0 分为透射和反射两束，经过 M0 的光束 1 由反射镜 M1 反射回来，经 M0 反射到光接收器 E；M0 反射的光速 2 经 M2 反射折回， 透过 M0 也到达 E，在 E 点，两束光会聚在一起，发生干涉，若两束光位相同， 则两束光相互增强，E 接收到的光最强，见下图；若 M2 移动一个距离，致使光束 2 返回时间延迟，光束 2 相对于光速 1 位移半个周期，则 E 接收的光最弱，见下图。若 M2 位于 A1 时，E 接收的光最强，M2 移至 A2 时光最弱，移至 A3 时光强又达最强，则 A1A3 就是由克尔盒所调制的光变化一个周期的时间中光所走的距离，以此距离乘上克尔盒的调制频率，即得光速。

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安德森用此法测得光速值为 2.99776×10⁸ 米/秒，即每秒 29.9776 万公里，此值的前四位均与现在值一致，故误差已在万分之一以下。

人们还不满足已经达到的精度，又进一步探索新的更精确的测量方法。因光速 c 等于光波波长λ与光波频率ν之积，即 c=λν，所以直接测量光波波长与光波频率而求得光速是最吸引人的光速测量方案。

由于以往所用的光源多为气体放电灯，它们发出光波波长与频率都不稳定，不可能获得精确的光速值。

本世纪 60 年代激光器的诞生，由于激光的良好的单色性和稳定性，使得直接地精确测量光速已成为可能。

1970 年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激光测定光速。

波长的测量原理就是用迈克耳逊发明的迈克尔干涉仪来直接测定，其原理如上图，移动 M2 反射镜，同时记录待测波长的干涉条纹变化数，根据干涉条纹变化数与波长成反比，即求得待测波长。

光波频率的直接测量是当代科学的一项前沿技术，光频率约为 10¹⁴ 赫， 这样高的频率目前还不能直接测定。至今用电子学方法可以由低频通过混频、倍频、差频技术，过渡到高频。

通过对红外光频率与波长的直接测量，由公式 c=νλ，求得光速值，达到 9 位有效数字的精确度，1975 年第十五届国际计量大会提供的数据，真空中光速最可靠值是：

c=299792.458±0.001 千米/秒

从 17 世纪伽利略第一次尝试测量光速以来，各时期人们都使用当时最先进的技术测量光速。光速测量有何意义呢？

第一，根据光在真空中的速度是一个恒定值，它的精确度很高，所以 1979 年“米”定义咨询委员会终于决定以米在一定时间中所走的距离作为标准米， 即“米的长度等于真空中光在 l/299792.458 秒的时间间隔中所传播的距离”。这样，光速测量的精确度就直接关系到长度的精确度。

第二，光速已经直接应用于测量距离。激光用于大地上几十米到几十千米的测量。它测量的是光脉冲在两地间来回传播的时间，再乘以光速即得距离。

科学家已在月球上安放了反射器，将强大激光束射向月球，测量激光往返的时间，可以精确测量地球和月球间的距离。

光速又与天文学密切相关，由于天文学所关心的是宇宙间的距离，大得惊人，故采用“光年”，即光在一年中所走的距离作为度量星际距离的单位。在宇宙航行时代，要求对星空位置作出精确测定，就必须提高光速精确度。

再有，光速是物理学中的一个重要的基本常数，许多其他的物理量都与它有关。光速已成为物理学中基本单位测量最精确的一个，它的精确度的提高将使一批基本常数的精确度得到提高。

激光器已在军事、医学等几个领域广泛使用，下面我们来研究它的诞生及发展过程。

人们对于光的种种性质的了解，都是通过观察光与物质的相互作用获得的。

光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用。这种相关作用， 主要有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。

如果有一个原子，开始时处于基态 E1，若没有任何外来的光子接近它， 则它将保持不变；如果有一个能量为 hν21 的光子接近这个原子，则它就有可能吸收这个光子，从而提高它的能量状态，被激发到 E2。

不是任何能量的光子都能被一个原子所吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔 E2—E1 时，这样的光子才能被吸收。

从经典力学来看，一个物体如果势能很高，它将是不稳定的。同样，处于激发态的原子也是不稳定的，它们在激发态停留的时间都很短，大约在 10^-8 秒的数量级。

在不受外界的影响时，它们会自发地返回到基态，而放出光子，这种自发地从激发态返回到较低能态而放出光子的过程，称为自发辐射过程。

实际生活中，如霓虹灯，当灯管内的低气压氖原子，由于加上高压电而放电时，部分氖原子被激发到各个激发态的能级，当它们从激发态跃迁回基态时，便发出各种频率的红光。

爱因斯坦于 1905 年推广了普朗克的能量子概念，提出了光量子的假设， 因而成功地解释了光电效应。并且爱因斯坦预言受激辐射的存在。

但是在室温下，在可见光区域，受激辐射的几率远小于自发辐射，以致无法为人们所觉察。直到 1951 年美国物理学家汤斯（1915—）才想出了一个实现受激辐射的方法。

他拟定了一种分子束系统，并计算出它所满足的要求，这种系统能从低能量的分子中分离出高能量分子，并使它们通过谐振腔形式反馈及连续振

荡。

1954 年，汤斯、戈登等在大约 1 厘米波长的微波范围内产生电磁波，再利用这个原理制成了第一个氨分子振荡器，并以“脉塞”这个名称来表示这种受激辐射的微波放大器。

不久，又制成了固体的“脉塞”。后来，荷兰籍的美国物理学家布卢姆伯根采用了一种三能级系统——低能级、中能级、高能级。

1960 年，世界上第一台激光器由美国物理学家梅曼（1927—）制成。他所用的材料是一根人造红宝石棒，其主要成份是掺有少量氧化铬的氧

化铝。红宝石受到光照时，其中铬原子的电子被激发到较高的能级，经短暂停留后开始向下跃迁，最先产生的少数光子刺激其他铬原子，使它们释放出相同的光子，于是红宝石棒突然射出一束深红色的光，它的亮度是太阳光表面亮度的 4 倍。

同年内，在贝尔实验室工作的伊朗物理学家贾万和其他几位科学家一起制成了连续发射的激光器。他们所用的工作物质是氦氖混合气体，故称氦氖激光器。

在汤斯研究“脉塞”的同时，苏联的无线电物理学家巴索夫（1922—） 和普罗霍罗夫（1916—）等人也独立地设计出了这样的振荡器，并且是波长更长的“脉塞”。他们三人共同获得了 1964 年诺贝尔物理学奖金。

激光器所产生的是一种完全新型的光，它具有前所未有的极强的亮度和单色性。

激光刚一发明，它的发展前景立即引起人们极大的兴趣，人们努力探索它的用途。大至核聚变反应中的触发作用，小至实验室内检测工作的改革， 都有激光的作用。

利用激光的高亮度，可作为热源。激光束细小，带有巨大的能量，若经透镜聚焦，照在物体的微小面积上，会产生巨大的热量，可使这一部分物体熔化或气化，因此可用来进行细小的打孔、切割、焊接，医院可用来作为手术刀。

利用激光的方向性好，发散度小，能射远的特性，可作为测距仪的光源。激光的聚焦可以精确到能够从 1600 公里以外来加热一壶咖啡。1962 年

激光射到月球，它经过大约 40 万公里的路程，散开的光斑直径也只有 3 公里。与激光测距相似，以光波载波，以信息振幅去调制光载波，可进行激光

通讯。由于光波频率在 10¹¹—10¹⁵ 赫，比普通无线电载波的频率（10⁶—10¹⁰ 赫）高得多，故可容纳更多的信息量，足可为地球上每个人提供一个他自己专用的通讯波长。

利用激光的巨大能量，将激光射到氘和氚的混合体中，产生高压和高温， 促使两种原子核聚合变成氦和中子，并同时放出巨大的辐射能量，这就是核反应。

总之，自 1960 年制成了第一个红宝石激光器后，激光物理、激光技术和激光应用等各方面都取得了巨大进步，它是现代科技领域最有前景的。

总之，物理学归根结底是一门实验的科学。物理实验在物理学的发展中占有极其重要的地位，离开了物理实验，物理学就很难向前发展。有了物理实验，从而引起了一系列新发展。欲知后事如何，且听下回分解。