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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074936]
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） 12 五角星引发的物理学
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一分钟简介
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本章由分析五角星中涉及的光波的衍射现象入手，指出只有5个角的星星是不存在的，并通过亲手实验来证明这一点。由此引申开去，将介绍两个在人类对光本性的认识过程中有着划时代意义的实验—泊松亮斑和迈克尔逊干涉仪。通过亲手实践，我们来感受光的脉搏。
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闲话基本原理
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世界上很多国家的国旗里都有五角星，例如我们的五星红旗、美国的星条旗等，可见人类对于星星长什么样的认识是一致的。可是为什么星星要有角，而且还是5个呢？如果你的脑海深处还保存着儿时在晴朗的夏夜观看漫天繁星的情景，那么你一定记得星星们都是一闪一闪，光芒四射的。恰如古人云：“天上星星亮晶晶，一闪一闪像眼睛。”[1]星星闪烁是因为大气的流动，扰动星光，从而使得星星的形象忽明忽暗。光芒四射则是因为人眼的瞳孔并非完美的圆形，而是稍微有些棱角，这些棱角对一个点光源形成了衍射而造成了星星周围的光芒。就像图12.1所示的夜晚灯火，在相机多边形的光圈的衍射下，形成了美丽的图案。所以我们感觉到星星长的“角”就是来自瞳孔的衍射。
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图12.1 灯光在多边形光圈的衍射下形成的图案
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但是，为什么我们要给星星画5个角，而不是更多或者更少呢？从审美上说，5个角看起来很稳定，像一个人一样，有头，双手和双脚。而且5个角绕着圆周均匀分布，也不会显得拥挤或者稀疏。然而，从光的衍射理论上说，5个角是不正确的，无论人眼瞳孔的形状如何，都不可能出现5条衍射光芒。下面我们通过亲手实践来证实这一点。
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我们高中时都学过光的单缝衍射，如图12.2所示，把两块刀片吸附在一块磁铁上，调整刀片之间的距离，然后用激光二极管发出的激光通过这条狭缝照射到墙上，我们就能看到美丽的单缝衍射图案。可以认为，光波是个叛逆的文艺小青年，你越是约束它，它越是天马行空地乱跑。所以当我们用狭缝在水平方向上给予约束时，它就在水平方向散得很开，形成了两道光芒。
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图12.2 光的单缝衍射
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想象一下，如果我们把两条狭缝垂直的放在一起，从竖直方向也约束激光，那么可以预见，它会在竖直方向也散得很开，形成4道光芒，如图12.3所示。
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图12.3 矩形孔的衍射图案
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根据目前的实验结果我们可以总结一下，两条边的狭缝形成两道光芒，4条边的小孔形成4道光芒。那么我们有理由相信，3条边的小孔形成3道光芒，5条边的小孔形成5道光芒。我们来试试看，图12.4展示了一个三角形小孔的衍射图案，哈！我们看到了6道光芒！
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图12.4 三角形狭缝的衍射图案
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五边形的小孔做起来稍微麻烦一点，读者可以试一试。但是我想大家可以猜到，那里的衍射图案应该是10道光芒。那有没有五道光芒的时候呢？很抱歉，还真没有。光的波动学告诉我们，衍射光芒都是成对出现的，所以必定是偶数个。
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我们对于光的本性的探索可谓由来已久。古希腊人认为光是人眼伸出去的无形的触须，这些触须碰到什么东西我们就能看到什么东西。圣经上说，宇宙初开之时，一片黑暗，上帝说了一句著名的话：“Let there be light! And there was light.”然后世间就有了光。到了牛顿时代，大家普遍认为光是一种微小的颗粒在空间中传播，直到清嘉庆二十三年，公元1818年，有一位叫做菲涅耳（Augustin Fresnel）的年轻人向法兰西科学院递交了一篇讨论光的本性的论文。论文指出，光是一种波动，就像水波，声波一样。光波遇到障碍物会产生衍射，绕到障碍物后面去，不同的光波相遇时可以干涉，形成明暗条纹。这个理论可以很好的解释当时最新的研究成果，杨氏双缝干涉实验。
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其时，法兰西科学院大师云集，审阅菲涅耳论文的是大数学家泊松（Siméon Denis Poisson）。泊松是牛顿的忠实信徒，所以他以极度怀疑的态度看完了菲涅耳的论文以后，敏锐地找到了其中的破绽。根据菲涅耳的理论，如果我们把一束平行光照射到一个小球上，那么在小球影子的正中间将会出现一个亮点（见图12.5）。这是因为小球虽然挡住了照射到它身上的光，但是它也扰动了从它旁边穿过的光线，从而引起了衍射。这些衍射的光线在小球影子的正中间相遇时，它们都经过了相同的路程，所以具有相同的相位以及干涉相长，那里应该出现一个相对明亮的点（当然比影子外面的直接受到光照的地方还是要暗淡的）。影子中间有个亮点？这太违背常识了嘛！所以菲涅耳的理论是错误的。
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