牛頓關于力學，重力和光等主題的論文

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我們都喜歡，我們最珍視的，關于世界和宇宙如何運作的觀點。我們對現實的理解，常常與我們對自己的認識，密不可分。但要成為一名科學家，就要準備好，每次我們進行測試時，都要對所有的問題表示懷疑。只需要一個與你的理論預測相沖突的觀察、測量或實驗，你就必須考慮修正或拋棄你對現實的看法。如果你能重現，那個科學測試，并令人信服地證明，它與流行的理論不一致，你就為一場科學革命奠定了基礎。但如果你不愿意將你的理論或假設付諸實踐，你可能會犯物理學史上最大的錯誤。

擁有英雄是人類的天性:我們仰慕、欽佩、渴望成為英雄。在物理學領域，幾個世紀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、行星和衛星的運動到幾個世紀以來物體如何落在地球上的一切。他對物體如何運動的描述，包括他的運動定律，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。挑戰牛頓是愚蠢的事。

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

牛頓是第一個解釋白光可分解成不同顏色的人

盡管牛頓在力學或引力方面的研究成果享譽全球，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。當光線從空氣進入水中又回到水中時，光線就會彎曲，在每一個表面都有一個反射分量和一個穿過的分量。

他關于光的“微粒”理論是以粒子為基礎的，他認為光是一種光線的觀點與各種各樣的實驗一致。盡管當時有一種與牛頓同時代的光的波動理論，由克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）提出，但它無法解釋棱鏡實驗。牛頓的理論，就像他的力學和萬有引力一樣，是一個贏家。

托馬斯·楊：光線的波浪狀特性

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但就在19世紀初，這個理論開始陷入困境。托馬斯·楊(Thomas Young)進行了一項如今已成為經典的實驗，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可調的實驗參數決定的：狹縫間距和光的顏色。如果紅光對應長波長光，而藍光對應短波長光，那么光的表現就會和波的表現完全一樣。楊的雙縫實驗只有在光線具有基本的波狀性質時才有意義。

用光進行的雙縫實驗產生干涉圖案

盡管如此，牛頓的成功不能被忽視。19世紀初，光的本質在科學家中成為一個有爭議的話題。1818年，法國科學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練，而不是物理學家或數學家的訓練，但他還是參加了這項比賽。他根據惠更斯17世紀的研究成果和楊最近的實驗結果，提出了一種新的光波理論，他對此非常感興趣。所有物理學中最大的錯誤都發生在這個舞臺上。

利用不透明球體，測試光的性質

提交作品后，著名的物理學家和數學家西蒙·泊松（Simeon Poisson）對菲涅爾的理論進行了詳盡的研究。如果光是一個微粒，就像牛頓所說的那樣，它會在空間中以直線運動。但如果光是一種波，當它遇到阻擋層、裂縫或表面的“邊緣”時，就必須進行干涉和衍射。不同的幾何構型會導致不同的特定圖案，但這個一般規則是成立的。

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

中間亮點是荒謬，致許多人忽視波浪理論

泊松試圖證明菲涅耳的理論是錯誤的，因為這個理論會導致了一個邏輯謬誤：歸謬法。泊松的想法是推導出一種由光即波理論做出的預測，這種預測會產生如此荒謬的后果，以至于它肯定是錯誤的。如果這個預測是荒謬的，那么光的波動理論肯定是錯誤的。牛頓是正確的，菲涅耳是錯誤的。

不過，這本身就是物理學史上最大的錯誤!如果不進行關鍵的實驗，你就無法得出結論，不管它看起來多么明顯。物理學不是由優雅、美麗、論點的直截了當或辯論決定的。它是通過訴諸自然來解決的，這意味著進行相關的實驗。

值得慶幸的是，對于菲涅耳和科學界來說，評委會的主席不會再有泊松的詭計了。弗朗索瓦·阿拉戈(Francois Arago)不僅為菲涅耳(Fresnel)辯護，也為整個科學研究過程辯護。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。他制造了一個球形障礙物，并在它周圍發出單色光，以檢查波理論對構造干涉的預測。在陰影的正中央，可以很容易地看到一個光點。盡管菲涅耳理論的預測似乎很荒謬，但實驗證據卻證明了這一點。不管荒謬與否，大自然已經說過了。

在物理學中，你可能犯的一個大錯誤是假設你事先知道答案是什么。一個更大的錯誤是假設你甚至不需要進行測試，因為你的直覺告訴你什么是或不為自然所接受。但是物理學并不總是一門直觀的科學，因此，我們必須總是依靠實驗、觀察和對我們的理論進行可測量的測試。

如果沒有這種方法，我們就不會推翻亞里士多德的自然觀。我們永遠不會發現狹義相對論，量子力學，或者我們現在的引力理論：愛因斯坦的廣義相對論。當然，如果沒有它，我們也不可能發現光的波動性質。

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物理學史上最大的錯誤已經過去200年了。事實證明，這個錯誤并不重要，這只是因為弗朗索瓦·阿拉戈(Francois Arago)的科學正直，他不怕站出來捍衛所有科學中最重要的原則。我們必須通過考驗宇宙本身來回答關于宇宙的問題。畢竟，在牛頓的觀點中，他自己寫道:

我在這本書中的設計不是用假設來解釋光的特性，而是用理性和實驗來提出和證明它們。

沒有實驗，我們就沒有科學。假設我們可以看到一個預測，然后宣布它是荒謬的，這是我們人類的一個巨大失敗。自然可能荒謬，也可能不荒謬;這與它是否正確無關。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。

∑編輯 | Gemini

文章來源：快報

IEEE Spectrum

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