世界第一簡單電磁學[Shi Jie Di Yi Jian Dan Dian Ci Xue]＊自然科普類＊暢銷書榜～推薦！

作者：遠藤雅守/著、葉隆吉/審訂
譯者：謝仲其
出版社：世茂
出版日期：2013/05/30
語言：繁體中文

ISBN：9789866097904
叢書系列：科學視界
規格：平裝/272頁/17x23cm/普通級/單色印刷/初版
出版地：台灣
本書分類：自然科普>物理/化學>物理/化學理論

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★藍色的天空、紅色的夕陽

「光的本質是什麼？」這個問題曾經苦惱著許多物理學家。人們已經透過觀測知道光線是以無比的高速前進的「某樣東西」，但是不知道這樣東西的本質究竟是什麼。牛頓等人的學派認為「光是一種粒子」，與認為「光是一種波動」的惠更斯等人的學派相互對立，但是雙方的主張都各有缺點。波動說學派的最大弱點在於，光在真空中也能傳遞此一事實。既然波就是某種物質（稱為波動媒質）的振動，照說在什麼都沒有的真空中應當無法傳遞波動才是。但是，太陽光卻是經過真空的宇宙而傳到地球上的。

馬克士威將自己發現的方程式變形後，發現存在著一種解，會讓電場Ｅ與磁場Ｂ變成波傳遞出去。他將之取名為「電磁波」。靜電力與磁力的傳遞在真空中也不會受到遮蔽，因此如果光是電磁波就不會發生矛盾了。利用馬克士威方程式計算電磁波的傳遞速度後發現，其與當時所知的光速正好一致。因此人們才知道，光就是電磁波的一種。

光的波長可以透過干涉波動來測量。測量結果發現光是波長為400到700ｎｍ（１ｎｍ是１ｍ的十億分之一）的電磁波，其波長的差異對人類而言就是能辨識出「顏色」的不同。同一時期的研究也發現到，高溫物體會因為原子的振動而輻射出可見光領域的電磁波。當然，如果沒有「光是電磁波」這種知識，那就不可能獲得這樣的發現。人們也由此得知，太陽是一顆溫度非常高（約6000℃）的球體，並且持續釋放出被稱為「光線」的、屬於可見光領域的電磁波。

好，從這裡開始進入正題。馬克士威發現電磁波之後不久，英國的瑞利男爵（John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh）讓光線通過如大氣分子這樣的小粒子之間時，發現光線會稍微散射、往斜方向擴散出去。這種現象就稱為「瑞利散射」。根據瑞利散射理論，散射的強度與電磁波波長的四次方成反比。紅光的波長大約是藍光的兩倍，也就表示其散射強度會比藍光強16倍。因此當光線從太陽射向地球時，藍色的成分會因為大氣層而往四面八方擴散出去。我們所看見的天空顏色，就是這種瑞利散射的緣故。

清晨或夕陽之所以是紅色，則是光線中未發生瑞利散射的剩餘成分（也就是紅光）筆直射進地球，打中視線前方的雲層或大氣微粒子，被我們所看到的緣故。除了這些以外，因為馬克士威的發現，各種與光線有關的現象都如雪崩般相繼被解開。因此，馬克士威發現電磁波，被稱作是物理學歷史中最重要的事件之一。

另一方面，將電磁波視為單純的波動，還是存在著某些當時已知的物理學無法說明的奇妙性質。為了說明這些性質，就誕生了二十世紀兩種代表性的物理學：「相對論」與「量子論」。比方說金屬被光線打到時會射出電子的「光電效應」現象，它可以看作是具有能量的粒子將金屬中的電子打出來，但是這卻不能用將光視為單純波動的想法來解釋它。愛因斯坦將頻率為ν的電磁波假設作能量hν（ｈ是稱為「普朗克常數」的物理常數）的粒子，完美地解釋了這個現象。這套假設稱為「光量子假說」，顯示出光的本質是既非粒子也非波動的「量子」。就在1921年，愛因斯坦因為這項成就而獲得了諾貝爾物理獎※。

※　令人意外的是，愛因斯坦究其一生只獲得一次諾貝爾獎，就是因為發現了這套「光量子假說」。