光谱的扩展

光谱的扩展

麦克斯韦方程式没有对场的振动周期作出限制。每秒可能只产生一次振动或者更少，那么每个波的长度就会有300 000千米或者更长；每秒也可能会产生10³³次振动或者更多，那么每个波长就可能只有一亿亿亿分之一厘米，并且可以是两者之间的任何值。

然而，光波只代表了这些可能值中的极小一部分。可见光的波长最长为0.000 7毫米，而可见光的最短波长大约是它的一半。那么，这是否意味着还存在我们看不见的电磁辐射呢？

回顾人类的大部分历史，问题似乎在于存在着看不见的光，而人们却又使用了光这个与之矛盾的术语。光根据定义，是能被看见的某种东西。

1800年，德裔英国天文学家赫歇尔（William Herschel，1738—1822)首先提出这并非矛盾。那时，人们认为从太阳获得的光和热可能是两种独立的现象。赫歇尔想知道热是否也能散发出一种像光那样的谱。

此后，赫歇尔用温度计替代了只能看见光的眼睛来研究光谱，对热进行了测定。他将温度计放置在光谱的不同部位并注意温度的变化。他预计光谱的中间温度应该最高，而两端的温度应有所下降。

结果并非如此。当温度计从紫光区渐渐移动至另一端的红光区时，温度持续升高，直至达到最高点。使赫歇尔更感到惊讶和疑惑的是当他将温度计移至红光区以外时所发生的情况。他发现，在此处测得的温度比可见光谱的任何地方的温度更高。赫歇尔认为，他已经测到热波了。

不过在短短的几年内，光的波动理论就建立了，从而使人们能对一些现象作出更好的解释。太阳光有一定的波长范围，通过棱镜可以使它分散开来。人的视网膜能够对波长在一定范围内的光作出反应，但是，太阳光具有一些波长比可见的红光更长的波，那就是我们发现的越出光谱红端以外的波。虽然人的视网膜不能对这种长波作出反应，不能看到它们，但不管怎么说它们是确实存在的。它们被称为红外线，英语中称为infrared ray，该词的前缀infra源自拉丁语中意为“以下”的单词，因为人们可能是从顶部的紫光至底部的红光观看光谱的。

当红外线接触到皮肤时，它既被反射又被吸收。当被皮肤吸收时，它的能量使人的皮肤中的分子运动加速从而使皮肤感觉到热。波长愈长，渗入皮肤就愈深，也就更容易被吸收。因此，虽然我们看不见红外线，但是我们能感觉到它的热，同样的道理，温度计就能记下这种变化。

当然，如果能够表明红外线实际上也由像光那样的波（只是波长更长）组成，那就更加有助于研究工作了。人们可以使两束红外线重叠并产生干涉条纹，但是没有人能看见它们。也许用温度计能够测出这些条纹，当仪器每次经过“变亮”的区域时，温度会升高，而当仪器每次经过“变暗”的区域时，温度则会下降。

1830年，意大利物理学家诺比利（Leopoldo Nobili，1784—1835)发明了具有这种功能的温度计。他的一位同事、意大利物理学家梅洛尼（Macedonio Melloni，1798—1854)考虑到玻璃会大量吸收红外线，便使用了一种用岩盐制成的棱镜，这种棱镜能透过红外线。结果形成了红外线干涉条纹，并用诺比利的温度计证明了它们的存在。1850年，梅洛尼证明红外线具备光的所有特性——除了它们不能被肉眼看见以外。

那么在光谱的另一端，进入紫光以外的黑暗区时，情况又会怎样呢？这个故事起源于1614年，当时意大利化学家萨拉（Angelo Sala，1576—1637)注意到，当一种洁白的化合物硝酸银暴露在阳光下时会变黑。现在我们已经知道，发生这种现象是因为光线中含有能量，它能迫使硝酸银分子分解，产生分离得很细小的银，从而呈黑色。

大约在1770年，瑞典化学家谢勒（Karl Wilhelm Scheele，1742—1786)更加深入细致地研究了这一课题，他使用了太阳光谱，而在萨拉时代人们还不知道这种光谱。他将一些白色薄纸条浸在硝酸银溶液中，然后将它们晾干，放在光谱的各个部位。他发现，放在红光区的纸条变黑的速度最慢，而离红光区愈远，纸条变黑的速度就愈快，直至紫光区变黑的速度最快。发生这种现象（我们现在已经知道其原因，具体的理由容后再作解释)是因为从红光到紫光，光的能量是逐渐增加的。

然而，一旦赫歇尔于1801年发现了红外线，德国化学家里特（Johann Wilhelm Ritter，1776—1810)便想到了检查光谱的另一端。1801年，他将纸条浸入硝酸银溶液，并重复进行了谢勒的实验，所不同的是他在紫光以外看不到光的部位也放置了纸条。就像他怀疑有可能会出现的情况一样，在看不到光的区域，纸条变黑的速度比在紫光区还快。这就意味着紫外线（ultraviolet ray)已经被发现了。这里ultraviolet ray一词的前缀ultra源自拉丁语中意为“以上”的单词。

红外线和紫外线辐射刚好存在于可见光谱的两个边界上。麦克斯韦方程式似乎还意味着在远离边缘的地方仍可能存在辐射。如果能发现这种辐射，那么麦克斯韦方程式将得到非常有力的支持，即便尚未发现它们，但已经没有人怀疑这种辐射存在的可能性了。

1888年，德国物理学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857—1894)采用一个带内部间隙的矩形导线作为探测装置。他在他的实验室中建立了一个振荡电流。当电流振荡时，先朝一个方向运动，接着朝另一个方向运动，这样就会发射出电磁辐射。当电流向一个方向流时，辐射波向上运动，而当电流向另一个方向流时辐射波又向下运动。这种电磁波应该具有非常长的波长，因为即使振荡电流每隔多少分之一秒就改变方向，光在两次变化之间还是能传至很远的地方。

如果让电磁波穿过赫兹的矩形导线，那么该导线会产生电流，就会有一个火花越过间隙。赫兹确实获得了这种火花。此外，当他将矩形导线放在屋内的不同部位时，在波很强或很弱的位置都能得到火花，但在两者之间却没有火花出现。这样，他就能画出波并确定其长度。

赫兹的这一发现后来就被称为无线电波，它所在的位置已远远超出红外辐射，其波长可以是从几厘米至几千米之间的任何值。

此后再没有一个人怀疑麦克斯韦方程式。如果存在传光以太的话，那它一定也能传播电和磁。如果说还有其他以太的话，那么它的存在仅仅是为了引力。

顺便提一下，1895年人们发现了远远越出紫外线的电磁辐射，其波长非常非常短；我们将在讨论一些其他问题之后，再来叙述这方面的内容。