[知識列車:光之旅 – 活動側寫報導] @恆毅高中:高涌泉教授分享『光的歷史』

演講側寫
時間:4/8 14:10~16:00
地點:天主教恆毅中學 活動中心
講者:台大物理系 高涌泉 教授
側寫者:高中部二年信班 陳蓉

這世界因有光而美麗,從聖經創世紀篇章就有記載光對於人類的重要性,對其的研究更是進展了 千年。為了紀念人類對於光千年的研究,今年被聯合國教科文組織定為國際光之年。為了響應國際光之年,在2015年4月8日下午,高涌泉教授來到恆毅中學進 行科普演講,講述人類對於光研究的歷史,帶領學生探索光的奧妙。

The most incomprehensible thing about the universe is that it’s comprehensible.
關於宇宙中最不可理解的事情是,它是可以理解的。    ──Albert Einstein

開頭高涌泉教授就在投影片上秀出一張人造衛星所拍下地球的照片以及一張雲海透著夕陽 的照片。他問我們這兩張不同的照片哪一張比較能讓人感受到自然之美?多數的學生選擇了雲海,而高涌泉教授選擇了地球,他說:「地球很美,同時也是我最喜愛 的科學知識。」因為地球是有道理並可以理解,莊子在知北遊篇提到世界是道理的,所謂大美與成理是緊密連接在一起的。

高教授也提到這個表面覆蓋著水的美麗星球,其實在16世紀以前都沒有人知道他是圓的。在中研院所寫的說地一書中,17世紀西方人在來到日本時驚訝於日本人不知道地球是圓的,因為當時與中國有密切文化交流的日本相信中國哲人地平的言論,所以不知道此事,也不會相信。

而為什麼我們能夠在宇宙拍下這讓人讚嘆的美景,一切都是因為有光的存在。

然而,光是什麼?

早在十一世紀初,阿拉伯學者海瑟姆重做托勒密的折射實驗,而他的著作《光學書》在之 後的400年成為歐洲光學的標準教科書。十七世紀時,克卜勒開始研究幾何光學,包括了透鏡、平面鏡與曲面鏡的反射等等論題。中期的笛卡兒對於一些光學現 象,包括反射與折射,也給出詳細的解釋,並首先發表了折射定律,他假定光是粒子,其傳播速度與介質密度呈正比。

而為大眾所知的牛頓認為光是由粒子或微粒組成的,遵守運動定律,並會因加速通過光密介質而折射,薄膜的折射和透射現象可以用光的「波動理論」來解釋,但自己的「微粒理論」才能更好地解釋光學現象,如繞射。

但海更斯卻主張光的波動說,把以太作為光傳播的介質,在《光論》一書中提出了海更思 原理,解釋了冰州石的雙折射現象。但兩者的論述都難以用實驗來確認。直到湯瑪士‧楊格在光的波動性質的研究。1801年他進行了著名的楊氏雙縫實驗,繞射 光波遵守疊加原理,這是一種光微粒說無法預測的波行為。這實驗確切地證實了光的波動性質,而不是牛頓所想像的光粒子。

這時,高涌泉教授從波動延伸出了「場」的概念,面對這新的名詞,我們不禁好奇何謂「場」?

「場」是法拉第建立「磁場的改變產生電場」的觀念。詹姆斯·馬克士威將法拉第電磁學 的理論加以整合,提出馬克士威方程式。這方程式能夠分析電磁學的種種現象。應用電磁波方程式計算獲得的電磁波波速等於做實驗測量到的光波速度,馬克士威於 是猜測光波是一種電磁波,電磁學和光學因此聯結成統一理論。1887年至1888年間,赫茲通過他製作的半波長偶極子天線成功接收到了馬克士威預言的電磁 波,同時他還測定了電磁波的速度等於光速。赫茲實驗證實電磁波的存在是物理學理論的一個重要勝利,同時也標誌著一種基於場論的更基礎的物理學即將誕生。雖 然當時馬克士威自己並不認為這個方程式有甚麼實際用處,但現在我們能用手機即時互通訊息其實都是基於此方程式,相信這些科學家若是地下有知,想必也會驕傲 自己的研究有了貢獻!

當演講進行到此,高涌泉教授笑著說如果以前的這些學者都穿越來到現代,一定會覺得鬱悶,因為這些花了他們大半輩子的研究,到了現在是連小學生都知道的常識,但同時這也是表示出科學的傳承,引發全場哄堂大笑。

這場兼具科學演進與原理的演講時光,在高涌泉教授時而詼諧、時而感性,深入淺出的帶動下,很快就過去了,像所有令人開心的事情一樣,讓在場師生回味再三,也種下讓部分學生更深入探討光的奧妙的種子,並期待有一天開花結果。

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