物理学史上最大的错误

数学算法俱乐部

日期：2020年10月30日

正文共：2741字9图

预计阅读时间：7分钟

来源：快报

牛顿关于力学，重力和光等主题的论文

我们都喜欢，我们最珍视的，关于世界和宇宙如何运作的观点。我们对现实的理解，常常与我们对自己的认识，密不可分。但要成为一名科学家，就要准备好，每次我们进行测试时，都要对所有的问题表示怀疑。只需要一个与你的理论预测相冲突的观察、测量或实验，你就必须考虑修正或抛弃你对现实的看法。如果你能重现，那个科学测试，并令人信服地证明，它与流行的理论不一致，你就为一场科学革命奠定了基础。但如果你不愿意将你的理论或假设付诸实践，你可能会犯物理学史上最大的错误。

拥有英雄是人类的天性:我们仰慕、钦佩、渴望成为英雄。在物理学领域，几个世纪以来最伟大的英雄是艾萨克·牛顿（Isaac Newton）。牛顿代表了人类科学成就的顶峰。他的万有引力理论完美地描述了从彗星、行星和卫星的运动到几个世纪以来物体如何落在地球上的一切。他对物体如何运动的描述，包括他的运动定律，以及物体如何受到力和加速度的影响，即使在今天，在几乎所有情况下都是有效的。挑战牛顿是愚蠢的事。

这就是为什么在19世纪早期，年轻的法国科学家奥古斯汀·让·菲涅尔(Augustin-Jean Fresnel)本应预料到自己将陷入的麻烦。

牛顿是第一个解释白光可分解成不同颜色的人

尽管牛顿在力学或引力方面的研究成果享誉全球，但他对光如何工作的解释，在今天并不那样广为人知。他解释了反射和折射、吸收和透射，甚至白光是如何由颜色组成的。当光线从空气进入水中又回到水中时，光线就会弯曲，在每一个表面都有一个反射分量和一个穿过的分量。

他关于光的“微粒”理论是以粒子为基础的，他认为光是一种光线的观点与各种各样的实验一致。尽管当时有一种与牛顿同时代的光的波动理论，由克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）提出，但它无法解释棱镜实验。牛顿的理论，就像他的力学和万有引力一样，是一个赢家。

托马斯·杨：光线的波浪状特性

但就在19世纪初，这个理论开始陷入困境。托马斯·杨(Thomas Young)进行了一项如今已成为经典的实验，他通过一条双缝来传递光线：两条狭窄的狭缝以极小的距离分开。光线表现得不像微粒，它要么穿过一条缝，要么穿过另一条缝，而是呈现出一种干涉模式：一系列明暗条纹。

此外，条纹的图案是由两个可调的实验参数决定的：狭缝间距和光的颜色。如果红光对应长波长光，而蓝光对应短波长光，那么光的表现就会和波的表现完全一样。杨的双缝实验只有在光线具有基本的波状性质时才有意义。

用光进行的双缝实验产生干涉图案

尽管如此，牛顿的成功不能被忽视。19世纪初，光的本质在科学家中成为一个有争议的话题。1818年，法国科学院举办了一场解释光的竞赛。是波浪吗?是粒子吗?如何测试它，如何验证该测试?

奥古斯丁-琼 弗伦（Augustin-Jean Fresne）虽然接受过土木工程师的训练，而不是物理学家或数学家的训练，但他还是参加了这项比赛。他根据惠更斯17世纪的研究成果和杨最近的实验结果，提出了一种新的光波理论，他对此非常感兴趣。所有物理学中最大的错误都发生在这个舞台上。

利用不透明球体，测试光的性质

提交作品后，著名的物理学家和数学家西蒙·泊松（Simeon Poisson）对菲涅尔的理论进行了详尽的研究。如果光是一个微粒，就像牛顿所说的那样，它会在空间中以直线运动。但如果光是一种波，当它遇到阻挡层、裂缝或表面的“边缘”时，就必须进行干涉和衍射。不同的几何构型会导致不同的特定图案，但这个一般规则是成立的。

泊松设想了单色的光：菲涅耳理论中的单一波长。想象一下，这束光形成了一个圆锥形的形状，并遇到了一个球形物体。在牛顿的理论中，你会得到一个圆形的阴影，周围有光。但是在菲涅耳的理论中，正如泊松所证明的，在阴影的中心应该有一个单独的亮点。泊松断言，这个预言显然是荒谬的。

中间亮点是荒谬，致许多人忽视波浪理论

泊松试图证明菲涅耳的理论是错误的，因为这个理论会导致了一个逻辑谬误：归谬法。泊松的想法是推导出一种由光即波理论做出的预测，这种预测会产生如此荒谬的后果，以至于它肯定是错误的。如果这个预测是荒谬的，那么光的波动理论肯定是错误的。牛顿是正确的，菲涅耳是错误的。

不过，这本身就是物理学史上最大的错误!如果不进行关键的实验，你就无法得出结论，不管它看起来多么明显。物理学不是由优雅、美丽、论点的直截了当或辩论决定的。它是通过诉诸自然来解决的，这意味着进行相关的实验。

值得庆幸的是，对于菲涅耳和科学界来说，评委会的主席不会再有泊松的诡计了。弗朗索瓦·阿拉戈(Francois Arago)不仅为菲涅耳(Fresnel)辩护，也为整个科学研究过程辩护。后来，作为一名政治家、废奴主义者、甚至法国总理，阿拉戈变得更加出名。他制造了一个球形障碍物，并在它周围发出单色光，以检查波理论对构造干涉的预测。在阴影的正中央，可以很容易地看到一个光点。尽管菲涅耳理论的预测似乎很荒谬，但实验证据却证明了这一点。不管荒谬与否，大自然已经说过了。

在物理学中，你可能犯的一个大错误是假设你事先知道答案是什么。一个更大的错误是假设你甚至不需要进行测试，因为你的直觉告诉你什么是或不为自然所接受。但是物理学并不总是一门直观的科学，因此，我们必须总是依靠实验、观察和对我们的理论进行可测量的测试。

如果没有这种方法，我们就不会推翻亚里士多德的自然观。我们永远不会发现狭义相对论，量子力学，或者我们现在的引力理论：爱因斯坦的广义相对论。当然，如果没有它，我们也不可能发现光的波动性质。

物理学史上最大的错误已经过去200年了。事实证明，这个错误并不重要，这只是因为弗朗索瓦·阿拉戈(Francois Arago)的科学正直，他不怕站出来捍卫所有科学中最重要的原则。我们必须通过考验宇宙本身来回答关于宇宙的问题。毕竟，在牛顿的观点中，他自己写道:

我在这本书中的设计不是用假设来解释光的特性，而是用理性和实验来提出和证明它们。

没有实验，我们就没有科学。假设我们可以看到一个预测，然后宣布它是荒谬的，这是我们人类的一个巨大失败。自然可能荒谬，也可能不荒谬;这与它是否正确无关。为了把它做好，你必须做测试。没有它，你根本就不是在做科学。

— THE END —

☞他们也曾在数学“苦海”里痛不欲生
☞26岁哈佛博士，27岁清华院长，朱镕基都敬仰不已，一辈子未婚，一生只做了一件事☞谁是“唯一值得全世界知晓的数学家”？☞机器学习中需要了解的 5 种采样方法☞北大读博手记：怎样完成自己的博士生涯？非常具有指导性！☞终年33岁的印度数学天才，他的传奇人生让扎克伯格流泪