上帝掷骰子吗-量子物理史话-第2部分
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提出了许多证据来证明这一点，其中最有力的就是小孔成像的实验，当我们 亲眼看到光通过小孔后成了一个倒立的像，我们就无可怀疑这一说法的正确性了。 关于光的一些性质，人们也很早就开始研究了。基于光总是走直线的假定，欧几里德 （Euclid）在《反射光学》（Catoptrica）一书里面就研究了光的反射问题。托勒密 （Ptolemy）、哈桑和开普勒（Johannes Kepler）都对光的折射作了研究，而荷兰物理学 家斯涅耳（W。Snell）则在他们的工作基础上于1621年总结出了光的折射定律。最后，光 的种种性质终于被有“业余数学之王”之称的费尔马（Pierre de Fermat）所归结为一个 简单的法则，那就是“光总是走最短的路线”。光学终于作为一门物理学科被正式确立起 来。 但是，当人们已经对光的种种行为了如指掌的时候，却依然有一个最基本的问题没有得到 解决，那就是：“光在本质上到底是一种什么东西？”这个问题看起来似乎并没有那么难 回答，但人们大概不会想到，对于这个问题的探究居然会那样地旷日持久，而这一探索的 过程，对物理学的影响竟然会是那么地深远和重大，其意义超过当时任何一个人的想象。 古希腊时代的人们总是倾向于把光看成是一种非常细小的粒子流，换句话说光是由一粒粒 非常小的“光原子”所组成的。这种观点一方面十分符合当时流行的元素说，另外一方面 ，当时的人们除了粒子之外对别的物质形式也了解得不是太多。这种理论，我们把它称之 为光的“微粒说”。微粒说从直观上看来是很有道理的，首先它就可以很好地解释为什么 光总是沿着直线前进，为什么会严格而经典地反射，甚至折射现象也可以由粒子流在不同 介质里的速度变化而得到解释。但是粒子说也有一些显而易见的困难：比如人们当时很难 说清为什么两道光束相互碰撞的时候不会互相弹开，人们也无法得知，这些细小的光粒子 在点上灯火之前是隐藏在何处的，它们的数量是不是可以无限多，等等。 当黑暗的中世纪过去之后，人们对自然世界有了进一步的认识。波动现象被深入地了解和 研究，声音是一种波动的认识也逐渐为人们所接受。人们开始怀疑：既然声音是一种波， 为什么光不能够也是波呢？十七世纪初，笛卡儿（Des Cartes）在他《方法论》的三个附 录之一《折光学》中率先提出了这样的可能：光是一种压力，在媒质里传播。不久后，意 大利的一位数学教授格里马第（Francesco Maria Grimaldi）做了一个实验，他让一束光 穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像。格里马 第马上联想起了水波的衍射（这个大家在中学物理的插图上应该都见过），于是提出：光 可能是一种类似水波的波动，这就是最早的光波动说。 波动说认为，光不是一种物质粒子，而是由于介质的振动而产生的一种波。我们想象一下 水波，它不是一种实际的传递，而是沿途的水面上下振动的结果。光的波动说容易解释投 影里的明暗条纹，也容易解释光束可以互相穿过互不干扰。关于直线传播和反射的问题， 人们很快就认识到光的波长是很短的，在大多数情况下，光的行为就犹同经典粒子一样。 而衍射实验则更加证明了这一点。但是波动说有一个基本的难题，那就是任何波动都需要 有介质才能够传递，比如声音，在真空里就无法传播。而光则不然，它似乎不需要任何媒 介就可以任意地前进。举一个简单的例子，星光可以穿过几乎虚无一物的太空来到地球， 这对波动说显然是非常不利的。但是波动说巧妙地摆脱了这个难题：它假设了一种看不见 摸不着的介质来实现光的传播，这种介质有一个十分响亮而让人印象深刻的名字，叫做“ 以太”（Aether）。 就在这样一种奇妙的气氛中，光的波动说登上了历史舞台。我们很快就会看到，这个新生 力量似乎是微粒说的前世冤家，它命中注定要与后者开展一场长达数个世纪之久的战争。 他们两个的命运始终互相纠缠在一起，如果没有了对方，谁也不能说自己还是完整的。到 了后来，他们简直就是为了对手而存在着。这出精彩的戏剧从一开始的伏笔，经过两个起 落，到达令人眼花缭乱的高潮。而最后绝妙的结局则更让我们相信，他们的对话几乎是一 种可遇而不可求的缘分。17世纪中期，正是科学的黎明到来之前那最后的黑暗，谁也无法 预见这两朵小火花即将要引发一场熊熊大火。
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饭后闲话：说说“以太”（Aether）。 正如我们在上面所看到的，以太最初是作为光波媒介的假设而提出的。但“以太”一词的 由来则早在古希腊：亚里士多德在《论天》一书里阐述了他对天体的认识。他认为日月星 辰围绕着地球运转，但其组成却不同与地上的四大元素水火气土。天上的事物应该是完美 无缺的，它们只能由一种更为纯洁的元素所构成，这就是亚里士多德所谓的“第五元素” ——以太（希腊文的αηθηρ）。而自从这个概念被借用到科学里来之后，以太在历史 上的地位可以说是相当微妙的，一方面，它曾经扮演过如此重要的角色，以致成为整个物 理学的基础；另一方面，当它荣耀不再时，也曾受尽嘲笑。虽然它不甘心地再三挣扎，改 换头面，赋予自己新的意义，却仍然逃不了最终被抛弃的命运，甚至有段时间几乎成了伪 科学的专用词。但无论怎样，以太的概念在科学史上还是占有它的地位的，它曾经代表的 光媒以及绝对参考系，虽然已经退出了舞台，但直到今天，仍然能够唤起我们对那段黄金 岁月的怀念。它就像是一张泛黄的照片，记载了一个贵族光荣的过去。今天，以太 （Ether）作为另外一种概念用来命名一种网络协议（Ethernet），看到这个词的时候， 是不是也每每生出几许慨叹？ 向以太致敬。 三 上次说到，关于光究竟是什么的问题，在十七世纪中期有了两种可能的假设：微粒说和波 动说。 然而在一开始的时候，双方的武装都是非常薄弱的。微粒说固然有着悠久的历史，但是它 手中的力量是很有限的。光的直线传播问题和反射折射问题本来是它的传统领地，但波动 方面军队在发展了自己的理论后，迅速就在这两个战场上与微粒平分秋色。而波动论作为 一种新兴的理论，格里马第的光衍射实验是它发家的最大法宝，但它却拖着一个沉重的包 袱，就是光以太的假设，这个凭空想象出来的媒介，将在很长一段时间里成为波动军队的 累赘。 两支力量起初并没有发生什么武装冲突。在笛卡儿的《方法论》那里，他们还依然心平气 和地站在一起供大家检阅。导致“第一次微波战争”爆发的导火索是波义耳（Robert Boyle，中学里学过波马定律的朋友一定还记得这个讨厌的爱尔兰人？）在1663年提出的 一个理论。他认为我们看到的各种颜色，其实并不是物体本身的属性，而是光照上去才产 生的效果。这个论调本身并没有关系到微粒波动什么事，但是却引起了对颜色属性的激烈 争论。 在格里马第的眼里，颜色的不同，是因为光波频率的不同而引起的。他的实验引起了胡克 （Robert Hooke）的兴趣。胡克本来是波义耳的实验助手，当时是英国皇家学会的会员， 同时也兼任实验管理员。他重复了格里马第的工作，并仔细观察了光在肥皂泡里映射出的 色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉。根据他的判断，光必定是某种快速的脉冲，于是 他在1665年出版的《显微术》（Micrographia）一书中明确地支持波动说。《显微术》这 本著作很快为胡克赢得了世界性的学术声誉，波动说由于这位大将的加入，似乎也在一时 占了上风。 然而不知是偶然，还是冥冥之中自有安排，一件似乎无关的事情改变了整个战局的发展。 1672年，一位叫做艾萨克？牛顿的年轻人向皇家学会评议委员会递交了一篇论文，名字叫 做《关于光与色的新理论》。牛顿当时才30岁，刚刚当选为皇家学会的会员。这是牛顿所 发表的第一篇正式科学论文，其内容是关于他所做的光的色散实验的，这也是牛顿所做的 最为有名的实验之一。实验的情景在一些科学书籍里被渲染得十分impressive：炎热难忍 的夏天，牛顿却戴着厚重的假发呆在一间小屋里。四面窗户全都被封死了，屋子里面又闷 又热，一片漆黑，只有一束亮光从一个特意留出的小孔里面射进来。牛顿不顾身上汗如雨 下，全神贯注地在屋里走来走去，并不时地把手里的一个三棱镜插进那个小孔里。每当三 棱镜被插进去的时候，原来的那束白光就不见了，而在屋里的墙上，映射出了一条长长的 彩色宽带：颜色从红一直到紫。牛顿凭借这个实验，得出了白色光是由七彩光混合而成的 结论。 然而在这篇论文中，牛顿把光的复合和分解比喻成不同颜色微粒的混合和分开。胡克和波 义耳正是当时评议会的成员，他们对此观点进行了激烈的抨击。胡克声称，牛顿论文中正 确的部分（也就是色彩的复合）是窃取了他1665年的思想，而牛顿“原创”的微粒说则不 值一提。牛顿大怒，马上撤回了论文，并赌气般地宣称不再发表任何研究成果。 其实在此之前，牛顿的观点还是在微粒和波动之间有所摇摆的，并没有完全否认波动说。 1665年，胡克发表他的观点时，牛顿还刚刚从剑桥三一学院毕业，也许还在苹果树前面思 考他的万有引力问题呢。但在这件事之后，牛顿开始一面倒地支持微粒说。这究竟是因为 报复心理，还是因为科学精神，今天已经无法得知了，想来两方面都有其因素吧。不过牛 顿的性格是以小气和斤斤计较而闻名的，这从以后他和莱布尼兹关于微积分发明的争论中 也可见一斑。 但是，一方面因为胡克的名气，另一方面也因为牛顿的注意力更多地转移到了运动学和力 学方面，牛顿暂时仍然没有正式地全面论证微粒说（只是在几篇论文中反驳了胡克）。而 这时候，波动方面军开始了他们的现代化进程——用理论来装备自己。荷兰物理学家惠更 斯（Christiaan Huygens）成为了波动说的主将。 惠更斯在数学理论方面是具有十分高的天才的，他继承了胡克的思想，认为光是一种在以 太里传播的纵波，并引入了“波前”的概念，成功地证明和推导了光的反射和折射定律。 他的波动理论虽然还十分粗略，但是所取得的成功却是杰出的。当时随着光学研究的不断 深入，新的战场不断被开辟：1665年，牛顿在实验中发现如果让光通过一块大曲率凸透镜 照射到光学平玻璃板上，会看见在透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环条纹，也 就是著名的“牛顿环”（对图象和摄影有兴趣的朋友一定知道）。到了1669年，丹麦的巴 塞林那斯（E。Bartholinus）发现当光在通过方解石晶体时，会出现双折射现象。惠更斯将 他的理论应用于这些新发现上面，发现他的波动军队可以容易地占领这些新辟的阵地，只 需要作小小的改制即可（比如引进椭圆波的概念）。1690年，惠更斯的著作《光论》 （Traite de la Lumiere）出版，标志着波动说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点。 不幸的是，波动方面暂时的得势看来注定要成为昙花一现的泡沫。因为在他们的对手那里 站着一个光芒四射的伟大人物：艾萨克？牛顿先生（而且马上就要成为爵士）。这位科学 巨人——不管他是出于什么理由——已经决定要给予波动说的军队以毫不留情的致命打击 。为了避免再次引起和胡克之间的争执，导致不必要的误解，牛顿在战术上也进行了精心 的安排。直到胡克去世后的第二年，也就是1704年，牛顿才出版了他的煌煌巨著《光学》 （Opticks）。在这本划时代的作品中，牛顿详尽地阐述了光的色彩叠合与分散，从粒子 的角度解释了薄膜透光，牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象。他驳斥了波动理论，质 疑如果光如同声波一样，为什么无法绕开障碍物前进。他也对双折射现象进行了研究，提 出了许多用波动理论无法解释的问题。而粒子方面的基本困难，牛顿则以他的天才加以解 决。他从波动对手那里吸收了许多东西，比如将波的一些有用的概念如振动，周期等引入 微粒论，从而很好地解答了牛顿环的难题。在另一方面，牛顿把粒子说和他的力学体系结 合在了一起，于是使得这个理论顿时呈现出无与伦比的力量。 这完全是一次摧枯拉朽般的打
