物理像光，可以照亮无知的黑暗
2016/6/15 超级数学建模
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传播数学干货，学会理性的方式去思考问题
我想讲一个让我透过
看似无聊冰冷的文字公式
激动不已的有趣故事。
小时候，老师说物理像光，可以照亮无知的黑暗。
那什么是光？
波粒二象性(wave-particle duality)的争论，
便是一场持横跨千年，扣人心弦的接力。
中断，
领先，
反超，
言和，
每棒接力都无比激动人心!
-------第一棒-------
公元前五世纪，希腊先哲们就开始解释什么是光。
恩培多克勒(Empedocles)认为世间万物有四种元素组成，水，火，土，空气(五行学说表示已侵权60%)。在下和这位同学也是有一些共同点的，比如女神控。这位同学认为，美丽的女神阿佛洛狄忒(Aphrodite)用这四种物质创造了人眼，并且在人眼里面放火，然后眼睛发射出光线了，就像闪光灯一样，于是人类有了视觉。
有人就问了，“哎哎，照您这么说，那我晚上白天应该看什么都能看清呀，女神晚上不在我眼睛里放火吗？女神呢？还我女神？”
恩培多克勒想了想，告诉这些无知群众，其实呀，眼睛里面发射出来的光和其他地方发出的光是有互动的，互动好了你才能看见。
人民群众似乎安静了一百来年。
恩培多克勒作为第一棒，奠定了正确的方向，接力赛朝着正确的方向开始了。
-------第二棒-------
公元前300年前后，一个大牛欧几里得(Ευκλειδη?)就开始下一轮攻击了。
“星星离我们远不远，远吧。那我晚上为什么一闭眼然后再睁眼，就能看见星星呢？难道光传播速度超级快吗？难道你提前两千年就预测到光在真空中以3*10^8m/s传播吗？”
成吨的问题问完之后，欧几里得什么人，几何之父呀，分分钟大笔一挥，反射公式就被他用几何公式写下来了。
大牛的权威让世界安静了二百多年。
欧几里得的赛程里，接力棒不紧不慢，矫健的步伐让这场接力赛顺利地继续着。
-------第三棒-------
公元前55年，卢克莱修(Titus Lucretius Caru)表示希腊原子论简直不能更正确。然后，这位同学表示，“太阳的光和热都是由微小原子组成。” 本人觉得这句还比较符合当时的认知水平，可是他还说了另一句，简直就是预言帝呀--“太阳光发射后将没有损耗地穿过空气介质背离光源前进”。说吧，你是不是穿越回去的，一看就是上高中物理课的时候写数学作业了。
卢克莱修的认知水平已经接近近代量子力学，可是在他那个年代，并没有多少人觉得他说的对。
欧洲似乎就消停了，毕竟中世纪就是黑历史。
卢克莱德倒下了，接力棒被重重地摔在地上，尘埃渐渐落下，痛苦的表情中更多的是怀才不遇的无奈，卢克莱德饮恨离开了跑道。这场接力，也因此沉寂。
-------第四棒-------
勒内·笛卡儿 (René Descartes)不光研究代数和几何，也研究了光。他认为光就是一种波，他靠这个解释了折射现象，毕竟几何学不是白学的，然后，矫正视力的透镜就被他设计出来了。经过几百年，这个设计还稳稳地站在我的鼻梁上，让在我眼镜焦距之外的电脑屏幕清楚地呈现在我的视网膜上。
但是人无完人，他对光在不同介质中的传播速度的解释并不正确，他认为光速和传播媒介的密度成正比。
伟大的人也会犯小错误，从现在开始，真相已经不远了，加油，笛卡尔，握紧接力棒，接力已经中断上千年，虽然有失误，但你已经很出色了。精彩的比赛就在你的下一棒!
-------第五棒-------
皮埃尔·伽桑狄(Pierre Gassendi)在17世纪阐述了自己的光粒子假设。
格里马尔迪(Francesco Grimaldi)也已经观察到了衍射现象，想想一下，光通过一个小孔就可以照亮一大片，怎么可能是粒子，必须得是波呀。
艾薩克·牛頓(Issac Newton) (插嘴，这个英文名不是复制粘贴的，毕竟是真牛)在早年研究了这个假设，还顺便踩了一下笛卡尔的肩膀，比较过后更倾向于笛卡尔提出的实空理论(theory of the plenum)，这个理论表明“光是由光源向四面八方发射的微粒组成”。
牛顿坚持光的粒子性，最有力的论据就是光沿着直线传播，根本绕不开任何物体。(在牛顿的年代，其实可以让光绕过的东西很多，比如针头。)
罗伯特·胡克(Robert Hooke)在英国皇家学会公开反对牛顿的光粒学说，坚持波动理论，牛顿所著《光学》一书直至胡克去世才得以发表。(两人因此结仇，有学者认为牛顿名言，“如果我看得远一些，那是因为我站在了巨人的肩膀上。”有嘲讽胡克身材矮小的可能。)
牛顿凭借着强壮的力量越跑越快，但是伟人光芒让他迷失了方向。
他企图用加速度和万有引力解释光的折射现象，笛卡尔的光速和传播媒介的密度成正比的观点已经偏离实际，牛顿又用光进入高密度介质时所受引力更大使光加速，来解释折射，错上加错。
但是格里马尔迪的观察现象又不得不让牛顿作出妥协。
蒸汽时代来了，我们有了新的动力，竟还是不理解光，我们可以的，咬紧牙关，我们会胜利的。
第五棒的选手们，你们已经更接近胜利了，牛顿或许渐行渐远。格里马尔迪，胡克，你们已经快把他带回正轨了，拉紧他，终点不远了。坚持住，你们可以的。
-------第六棒---------
托马斯·杨(Thomas Young)作出了双缝干涉，光就是波，一些特殊点上波会互相加强，也有减弱的地方。
克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)和奥古斯丁·菲涅耳(Augustin Fresnel)提出了惠更斯-菲涅耳原理(Huygens–Fresnel principle)之后，互相影响过的波还会继续互相影响。光为何像前传播，光为何衍射都被解释了。
1845年，迈克尔·法拉第(Michael Faraday)发现了当偏振光穿过施加了磁场的透明介质时，会发生偏振旋。
横波，横波!我们做到了!光是波，是电磁振动。
是呀，你做到了，电气时代了，我们已经可以千里传音了，我们马上就可以真正了解光了。
一根绳子的振动可以轻松的通过一个窄门，只要振动方向和窄门平行，如果振动方向和窄门相交，波就会被阻断。
光就像绳子上的波，磁场可以改变绳子上的波振动方向。
两个时代的交接，谢谢你，法拉第，跑起来，气喘吁吁不是筋疲力尽，而是看到终点曙光的欣喜若狂!
-------第七棒-------
詹姆斯·馬克士威(James Clerk Maxwell)发现了自生电磁波会以恒定速度传播，而且这个速度恰好等于光速，光可能是一种电系波吧？
海因里希·赫茲(Heinrich Hertz)收到了麦克斯韦的信，继续向前摸索。
实验中，赫兹观察到了装置发射和接收的电磁波!
赫兹，我们做到了，光就是波。终点到了，欢呼吧，尽情欢呼吧!
波动派赢了，光是波。
光速在真空中恒定不变，爱因斯坦用它打开了相对论的大门，经典物理的时代终结了。
牛顿错了，大错特错，真理在我们手中。
无线电通信开始了，数学家们会此注入无限生机，有线电话已经过时。无线电的天空由我们主宰，艾伦图灵，蒂姆·伯纳斯，温顿·瑟夫，比尔盖茨，史蒂夫乔布斯这些名字因为你开始熠熠生辉!
在胜利者的微笑中，赫兹走向了另一条赛道。
为什么，赫兹，你又传出了接力棒？
只因为赫兹发现了光电效应，光束照射下的金属会发射电子。
短暂的欢喜之后，或许，我们错了。
-------第八棒-------
另一条赛道上，一队人马还在继续，赫兹的接力棒又开始传递!
馬克斯·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)发现了黑体在平衡状态下发射光谱规律。谐振子吸收或者发出的电磁波能量可以被量化，对这就是量子!
普朗克，快，对手们也在帮助你，爱因斯坦已经来了。
-------第九棒-------
爱因斯坦解释了光电效应，光的能量并非均匀分布，而是由光子承载，而光子的能量和光的频率有关。
光就是一束量子!只要频率足够大，就可以让金属发出光电子。
光也是粒子!
羅伯特·密立根(Robert Millikan)通过实验证明了爱因斯坦的理论。爱因斯坦因此拿到了诺贝尔物理学奖。(私货：爱因斯坦爷爷得奖不是因为写了相对论，更不是因为棒美国造出了核弹)
还记得19世纪的最后一天，开尔文勋爵(William Thomson, 1st Baron Kelvin)无可奈何地承认经典物理之上的两朵乌云。多少人前赴后继，只为追求完美的物理，却都在阴霾中迷失了方向。
今天，云开雾散，一个新的世界——量子物理向我们敞开了大门。
比赛结束了，两队都到了终点。气喘吁吁中相顾一笑，你我都是胜者!
千年来的争论并没有孰是孰非!光是粒子，也是波!
爱因斯坦把接力棒投向了观众席。
-------第十棒-------
路易·德布罗意(Louis de Broglie)建起了接力棒，不只是光，所有物质都可以同时是粒子和波!
(ps这哥们没在运动员序列里，没人鸟他，写这篇论文的时候只是为了毕业，导师们都听不懂他在“胡扯”什么。他一个愣头青就找到了爱因斯坦大爷，老爷子听懂了之后，他一步一跳地找到导师，赞成的导师们以微弱优势让这个小哥毕业。这个故事一直激励着我，面对不解，坚持，总会有人理解。)
乔治·汤姆(George Thomson)与克林頓·戴維森(Clinton Davisson)，雷斯特·革末(Lester Germer)分别通过实验证明了德布罗意的猜想，电子也可以像光子一样绕射!
比赛已经结束，接力却从未终止。海森堡，霍金，和无数默默无闻的人还在接力。我们从一个看似简单的问题渐渐了解了世界，岂不乐哉？
正是这些伟大的接力员，为我们带来了一个又一个奇迹，把我们从温饱难求的古代带入了这个轻松美好的现在。
物理本身或许索然无味，但是我看来物理因为无趣，反而有趣。
那一行行文字，一组组方程，包含了每个时代最顶尖的智慧，更留给一个个普通人醍醐灌顶的欣喜，豁然开朗的感动!
附上文中名人轶事
据传说，恩培多克勒，作为古希腊哲学家，为向门徒证明自己的神性，纵身跳进火山。这老兄真是自己装的X，跪着也要装完。你以为故事完了？传说又说，这货的青铜凉鞋被火山喷了出来。火山也是傲娇。好多西方诗人还拿这事写诗。我开个脑洞，要是今天希腊或者意大利高考里出现诗词解析，请解释火山喷出佩恩多多克勒的鞋时的思想感情。
勒内·笛卡儿法国人，著名的哲学家，数学家，物理学家，罗马天主教徒。令无数人咬牙切齿的解析几何就是他发明的，看个图像把人眼镜都看瞎了，没事，他顺手研究了光鲜折射，设计了一个叫眼镜的东西。
他出生在一个低级贵族家里，父亲是雷恩的议员，想让他当律师，他大学学了法律，毕业之后，加入了荷兰的军队，空闲时间，空闲时间，空闲时间(这军队得有多闲)学习了数学。然后卖掉了老爸的资产，开始读万卷书，行万里路，旅居意大利，后定居荷兰。原因嘛，他是个哲学家，法国宗教不自由，他写的哲学著作都出版不了呀。
后来，瑞典女王，聘请他当老师呀，是女王，真正的女王。可惜的是，天命之年就永远离开了我们，但是永远活在女王陛下以及瑞典各族人民群众之中，但是瑞典国王必须是信教教徒，女王放弃了王位，转信落马天主教。(这是中文维基说的，详见https://zh.wikipedia.org/wiki/勒内·笛卡儿#.E7.90.90.E4.BA.8B)
这个文章写的，啧啧啧，好像这位同学似乎不只是给女同学讲题这么简单，毕竟工科狗的情商都发现这事蹊跷，我就记得他好像勾搭过这个女王，于是开始翻百度百科。
他是怎么搞定这个妹子的呢？大家别急，故事是这样的。
克里斯蒂娜是个人间人爱的大姑娘呀，我的脑海里不禁响起了
“每天她喝着山歌去学堂
直唱得老大爷
放下了他的大烟袋
直唱得小伙子
更加思念他姑娘
直唱得老大娘
放下针线听一段
直唱得大姑娘
眼泪汪汪啊
忘记了洗衣裳”
呀，不好意思，跑偏了，不是吉林，是瑞典，反正都老冷了。
言归正传，这个善良美丽的公主看见了一个乞丐，不求人施舍，还在专心研究数学。一聊起来，觉得这歌老头老厉害了，带回宫里，给我上课吧。这个乞丐理所当然的是笛卡尔呀，故事发展是立马约起来呀。引用一下原文吧，其实我很少直接引用的，但是这句话，必然会开启无数少女的少女心呀，前方高能，分战斗人员撤离，预计对单身狗造成成吨伤害。
“两个人一起讨论数学问题，一起谈天说地，日久天长，两个人就这样沉浸在只属于他们两个人的数学世界和爱情世界里，很幸福，很快乐。”
你以为故事像韩剧一样，那我还写在这干哈呀。
让无数在学校偷偷谈恋的虐狗男女害怕的事情发生了，公主他爹知道了呀，国王说，滚犊子!国王还扣了笛卡尔写给公主所有的信件，整整十二封。后来第十三封国王看不懂，就找大臣们看，公务员们也看不懂。这可咋整呢，要是当年有知乎，事情就利索了，要是有微信，陌陌，tinder，down其实会更方便。国王没法儿了，把信给了公主。公主一看，信上就一行公式，r = a(1-sinθ)，极坐标系里一画就是个心形呀。然后，笛卡尔去世了。
很明显，笛卡尔在女王克里斯蒂娜生日后为女王上课，每周三次，早上五点，在她又冷又潮的城堡里。不久后他们不喜欢对方变得很明显；她不喜欢他的機械論，他不尊重她对古希腊的敬仰。到1650年1月15日，笛卡尔之见了克里斯蒂娜四五次。2月1日，他很快的了感冒，并造成了呼吸道感染，并且在二月11日死亡。根据Chanut所说，他的死因是肺炎，但是根据Van Wullen医生所说，应是胸膜肺炎，Van Wullen医生并未被准许给他放学。“严寒的冬天看上去变的温和了，除了一月的后一半，据笛卡尔自己描述。笛卡尔有可能一语双关，不只是说天气，也在暗指学术氛围。
via：王小猿(知乎)
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