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大佬爺娱乐·眼睛里飘着的小虫为什么有时肚子会发光?| 科学DIY

2020-01-09 14:31:05来源:永利皇宫

大佬爺娱乐·眼睛里飘着的小虫为什么有时肚子会发光?| 科学DIY

大佬爺娱乐,本文由公众号 “把科学带回家” 提供

给孩子最好的科学教育

你可能注意到,在遥望碧蓝的天空时,有时我们会看见眼睛中出现了一些灰白色的小虫。

这个现象叫做飞蚊症,这些小虫并不是真的虫子,而来自玻璃体动脉的残余。我们之前有一期节目讲过,点我查看具体解释。

但是,今天我们要更具体地探讨这样一个问题——为什么一些圆形的飞蚊的肚子会发光?

关键概念

泊松光斑

材料和操作

一根激光笔

一个非常圆的物体,比如弹珠,或者是圆形纸片

一些文具夹

实验操作很简单:

1 把激光笔架好,激光要能打中圆形的物体。最好在激光笔前面架一个半透明的薄膜,或者凹透镜(比如近视眼的镜片),让激光发散开来。

@physicseurp09

圆形物体要尽量小

2 激光,圆形物体,以及墙面之间要留出一定的距离。

3 关灯,打开激光笔,观察一下,圆形物体留在墙上的影子是什么样的?中央是什么?

原理

你是不是观察到,圆形物体留在墙上的影子中央,有一个特别亮的光斑呢?

泊松光斑

@harvard natural sciences lecture demonstrations

这,就是泊松光斑。它的存在,曾经让200年前的物理学家们分裂成了两派。

1817年,法兰西学术院开展了一个竞赛,竞赛的主题是光的本性,找到光的衍射的最佳解释。

有一个叫做奥古斯丁·菲涅耳(augustin-jean fresnel)的法国物理学家和工程师参与了这个竞赛。他提出的理论是,光是一种波,就像所有的波一样,光在遇到障碍物的时候会产生衍射。

奥古斯丁·菲涅耳

菲涅尔提出了后来被人称之为惠更斯-菲涅尔原理的数学原理,他把单色光看成是正弦波,并用此成功解释了光经过直线边缘时的衍射。

当时,评委会中有一些人支持他,比如又是科学家,又曾经做过法国总理的弗朗索瓦·阿拉戈(francaois arago)。但是其他大佬却提出了反对,其中就有大名鼎鼎的西莫恩·德尼·泊松和拉普拉斯。

泊松(左)和阿拉戈(右)

泊松对光的波动性非常不屑。他支持牛顿对光的看法,认为光是一种粒子。

为了批判菲涅耳的光的波动学说,他对菲涅耳的理论进行了进一步的推演。他得出一个结论:如果光是一种波,那么圆形物体的影子的正中应该有一个光斑,因为影子的中央离圆形物体边缘距离相等,因此所有的光会在这个点发生相长干涉,也就是说振幅增加。

相长干涉

@uconn physics department

泊松甚至都没有做实验,就企图用归谬法判菲涅耳的理论死刑,因为他认为影子中间有个亮点这件事不符合常理,过于荒谬。

当然,以1818年的技术,菲涅耳的理论也很难得到证实,因为那个时候激光还没有被发明。不过,菲涅耳又经过严密的数学计算发现,只有当这个圆片的半径很小时,这个亮点才比较明显。

泊松光斑

@wikipedia

好在支持菲涅尔的评委阿拉戈却对泊松的推论很感兴趣。他做了一个实验,用2毫米直径的圆形充当障碍物,果然发现了圆形影子中央的亮斑。

这个亮斑,后来就被称为泊松光斑,有时也被称为阿拉戈光斑,因为是他首先做实验证明的,还有人把它叫做菲涅尔亮斑,因为一开始是菲涅尔提出的光的波动性嘛。

由于菲涅耳的数学十分优美,而实验也与预测一致,因此他最终获得了法兰西学术院的大赛奖,并在数年后成为了英国伦敦皇家学会的会员。

灯塔的菲涅耳透镜也是菲涅耳发明的

可是,日常生活中为什么观察不到影子中的泊松光斑呢?

大多数物体不是完美的圆形当然是一个方面。另一个方面,较小的物体才会产生比较明显的光斑。

更重要的是,许多光源发出的光并不像激光那样具有同相位,所以它们很难在圆形物体正中发生相长干涉。

但在一些特殊的情况下,我们依然可以偶遇泊松光斑。文头提到的肚子发光的飞蚊,就是最好的证明。

飞蚊是玻璃体动脉的残余投射在视网膜上的影子,它们非常小,如果有玻璃体动脉的残余恰好是圆形的,那么飞蚊也是圆形的。

美国物理学家 david halliday 等人在《物理》第五版中介绍,根据光的波动性,这样的飞蚊的中央一定有个亮斑,这就是泊松光斑存在的最好证据了。

当然,你也可以把两根手指留出很细的缝,然后把手指放在眼前,对着光源看,你看到的黑色栅栏般的线条,也是光的衍射的证据。

话说回来,挑战了牛顿的权威的菲涅耳,在生前并没有获得应有的荣誉。

因为在后来的很长一段时间里,菲涅耳的理论并没有得到广泛的认可,即使是在1801年托马斯·杨的经典双缝实验后,许多人还是不相信光的波动性,他们还是把牛顿的光粒子理论奉为圭臬。

托马斯·杨的经典双缝实验:将激光照射有两条狭缝的不透明板,光的波动性使得通过两条狭缝的光束相互干涉,形成了明亮条纹和暗淡条纹相间的图样,这就是双缝实验著名的干涉图样。

不过,荣誉可能是菲涅耳最不在乎的事情了。在1824年写给托马斯·杨的信中,菲涅耳写道:

“深藏在我内心的那种感觉,即被世俗称之为于荣耀的追寻与爱慕,是何等的单调乏味;所有阿拉戈、拉普拉斯、毕奥加诸于我的赞赏,远不及我因发现大自然的理论真缔或做实验确认计算的结果而博得的喜乐。”

3年后的1827年,菲涅耳因结核病死于在巴黎附近的阿弗雷城,年仅39岁。

在埃菲尔铁塔上72位法国知名人士的名字之中,可以找到菲涅耳的名字。

菲涅耳的名字为埃菲尔铁塔东南面列表的左数第四个,泊松和阿拉戈也名列其中。点击看大图。

@wikipedia

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