| 上帝擲骰子嗎——量子物理史話（1) [閱讀： 2851] | [教育科技] 2006-4-9 |
| 第一章,黃金時(shí)代 一
我們的故事要從1887年的德國(guó)開始。位于萊茵河邊的卡爾斯魯厄是一座風(fēng)景秀麗的城市，在它的城中心，矗立著著名的18世紀(jì)的宮殿。郁郁蔥蔥的森林和溫暖的氣候也使得這座小城成為了歐洲的一個(gè)旅游名勝。然而這些怡人的景色似乎沒有分散海因里希·魯?shù)婪?#183;赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）的注意力：現(xiàn)在他正在卡爾斯魯厄大學(xué)的一間實(shí)驗(yàn)室里專心致志地?cái)[弄他的儀器。那時(shí)候，赫茲剛剛30歲，也許不會(huì)想到他將在科學(xué)史上成為和他的老師赫耳姆霍茲（Hermann von Helmholtz）一樣鼎鼎有名的人物，不會(huì)想到他將和卡爾·本茨（Carl Benz）一樣成為這個(gè)小城的驕傲?，F(xiàn)在他的心思，只是完完全全地傾注在他的那套裝置上。
赫茲的裝置在今天看來(lái)是很簡(jiǎn)單的：它的主要部分是一個(gè)電火花發(fā)生器，有兩個(gè)相隔很近的小銅球作為電容。赫茲全神貫注地注視著這兩個(gè)相對(duì)而視的銅球，然后合上了電路開關(guān)。頓時(shí)，電的魔力開始在這個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)里展現(xiàn)出來(lái)：無(wú)形的電流穿過(guò)裝置里的感應(yīng)線圈，并開始對(duì)銅球電容進(jìn)行充電。赫茲冷冷地注視著他的裝置，在心里面想象著電容兩段電壓不斷上升的情形。在電學(xué)的領(lǐng)域攻讀了那么久，赫茲對(duì)自己的知識(shí)是有充分信心的，他知道，隨著電壓的上升，很快兩個(gè)小球之間的空氣就會(huì)被擊穿，然后整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)形成一個(gè)高頻的振蕩回路（LC回路），但是，他現(xiàn)在想要觀察的不是這個(gè)。
果然，過(guò)了一會(huì)兒，隨著細(xì)微的“啪”的一聲，一束美麗的藍(lán)色電花爆開在兩個(gè)銅球之間，整個(gè)系統(tǒng)形成了一個(gè)完整的回路，細(xì)小的電流束在空氣中不停地扭動(dòng)，綻放出幽幽的熒光。
赫茲反而更加緊張了，他盯著那串電火花，還有電火花旁邊的空氣，心里面想象了一幅又一幅的圖景。他不是要看這個(gè)裝置如何產(chǎn)生火花短路，他這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的，是為了求證那虛無(wú)飄渺的“電磁波”的存在。那是一種什么樣的東西啊，它看不見，摸不著，到那時(shí)為止誰(shuí)也沒有見過(guò)，驗(yàn)證過(guò)它的存在。可是，赫茲是堅(jiān)信它的存在的，因?yàn)樗躯溈怂鬼f（Maxwell）理論的一個(gè)預(yù)言。而麥克斯韋理論……哦，它在數(shù)學(xué)上簡(jiǎn)直完美得像一個(gè)奇跡！仿佛是上帝的手寫下的一首詩(shī)歌。這樣的理論，很難想象它是錯(cuò)誤的。赫茲吸了一口氣，又笑了：不管理論怎樣無(wú)懈可擊，它畢竟還是要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證的呀。他站在那里看了一會(huì)兒，在心里面又推想了幾遍，終于確定自己的實(shí)驗(yàn)無(wú)誤：如果麥克斯韋是對(duì)的話，那么在兩個(gè)銅球之間就應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)振蕩的電場(chǎng)，同時(shí)引發(fā)一個(gè)向外傳播的電磁波。赫茲轉(zhuǎn)過(guò)頭去，在實(shí)驗(yàn)室的另一邊，放著一個(gè)開口的銅環(huán)，在開口處也各鑲了一個(gè)小銅球。那是電磁波的接收器，如果麥克斯韋的電磁波真的存在的話，那么它就會(huì)穿越這個(gè)房間到達(dá)另外一端，在接收器那里感生一個(gè)振蕩的電動(dòng)勢(shì)，從而在接收器的開口處也激發(fā)出電火花來(lái)。
實(shí)驗(yàn)室里面靜悄悄的，赫茲一動(dòng)不動(dòng)地站在那里，仿佛他的眼睛已經(jīng)看見那無(wú)形的電磁波在空間穿越。銅環(huán)接受器突然顯得有點(diǎn)異樣，赫茲簡(jiǎn)直忍不住要大叫一聲，他把自己的鼻子湊到銅環(huán)的前面，明明白白地看見似乎有微弱的火花在兩個(gè)銅球之間的空氣里閃爍。赫茲飛快地跑到窗口，把所有的窗簾都拉上，現(xiàn)在更清楚了：淡藍(lán)色的電花在銅環(huán)的缺口不斷地綻開，而整個(gè)銅環(huán)卻是一個(gè)隔離的系統(tǒng)，既沒有連接電池也沒有任何的能量來(lái)源。赫茲注視了足足有一分鐘之久，在他眼里，那些藍(lán)色的火花顯得如此的美麗。終于他揉了揉眼睛，直起腰來(lái)：現(xiàn)在不用再懷疑了，電磁波真真實(shí)實(shí)地存在于空間之中，正是它激發(fā)了接收器上的電火花。他勝利了，成功地解決了這個(gè)8年前由柏林普魯士科學(xué)院提出懸賞的問題；同時(shí)，麥克斯韋的理論也勝利了，物理學(xué)的一個(gè)新高峰——電磁理論終于被建立起來(lái)。偉大的法拉第（Michael Faraday）為它打下了地基，偉大的麥克斯韋建造了它的主體，而今天，他——偉大的赫茲——為這座大廈封了頂。
赫茲小心地把接受器移到不同的位置，電磁波的表現(xiàn)和理論預(yù)測(cè)的絲毫不爽。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，赫茲得出了電磁波的波長(zhǎng)，把它乘以電路的振蕩頻率，就可以計(jì)算出電磁波的前進(jìn)速度。這個(gè)數(shù)值精確地等于30萬(wàn)公里/秒，也就是光速。麥克斯韋驚人的預(yù)言得到了證實(shí)：原來(lái)電磁波一點(diǎn)都不神秘，我們平時(shí)見到的光就是電磁波的一種，只不過(guò)它的頻率限定在某一個(gè)范圍內(nèi)，而能夠?yàn)槲覀兯姷搅T了。
無(wú)論從哪一個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，這都是一個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn)。古老的光學(xué)終于可以被完全包容于新興的電磁學(xué)里面，而“光是電磁波的一種”的論斷，也終于為爭(zhēng)論已久的光本性的問題下了一個(gè)似乎是不可推翻的定論（我們馬上就要去看看這場(chǎng)曠日持久的精彩大戰(zhàn)）。電磁波的反射、衍射和干涉實(shí)驗(yàn)很快就做出來(lái)了，這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步地證實(shí)了電磁波和光波的一致性，無(wú)疑是電磁理論的一個(gè)巨大成就。
赫茲的名字終于可以被閃光地鐫刻在科學(xué)史的名人堂里，可是，作為一個(gè)純粹的嚴(yán)肅的科學(xué)家，赫茲當(dāng)時(shí)卻沒有想到他的發(fā)現(xiàn)里面所蘊(yùn)藏的巨大的商業(yè)意義。在卡爾斯魯厄大學(xué)的那間實(shí)驗(yàn)室里，他想的只是如何可以更加靠近大自然的終極奧秘，根本沒有料到他的實(shí)驗(yàn)會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)怎么樣的時(shí)代革命。赫茲英年早逝，還不到37歲就離開了這個(gè)他為之醉心的世界。然而，就在那一年，一位在倫巴底度假的20歲意大利青年讀到了他的關(guān)于電磁波的論文；兩年后，這個(gè)青年已經(jīng)在公開場(chǎng)合進(jìn)行了無(wú)線電的通訊表演，不久他的公司成立，并成功地拿到了專利證。到了1901年，赫茲死后的第7年，無(wú)線電報(bào)已經(jīng)可以穿越大西洋，實(shí)現(xiàn)兩地的實(shí)時(shí)通訊了。這個(gè)來(lái)自意大利的年輕人就是古格列爾莫·馬可尼（Guglielmo Marconi），與此同時(shí)俄國(guó)的波波夫（Aleksandr Popov）也在無(wú)線通訊領(lǐng)域做了同樣的貢獻(xiàn)。他們掀起了一場(chǎng)革命的風(fēng)暴，把整個(gè)人類帶進(jìn)了一個(gè)嶄新的“信息時(shí)代”。不知赫茲如果身后有知，又會(huì)做何感想？
但仍然覺得赫茲只會(huì)對(duì)此置之一笑。他是那種純粹的科學(xué)家，把對(duì)真理的追求當(dāng)作人生最大的價(jià)值。恐怕就算他想到了電磁波的商業(yè)前景，也會(huì)不屑去把它付諸實(shí)踐的吧？也許，在美麗的森林和湖泊間散步，思考自然的終極奧秘，在秋天落葉的校園里，和學(xué)生探討學(xué)術(shù)問題，這才是他真正的人生吧。今天，他的名字已經(jīng)成為頻率這個(gè)物理量的單位，被每個(gè)人不斷地提起，可是，或許他還會(huì)嫌我們打擾他的安寧呢？
二
上次我們說(shuō)到，1887年，赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，也證實(shí)了光其實(shí)是電磁波的一種，兩者具有共同的波的特性。這就為光的本性之爭(zhēng)畫上了一個(gè)似乎已經(jīng)是不可更改的句號(hào)。
說(shuō)到這里，我們的故事要先回一回頭，穿越時(shí)空去回顧一下有關(guān)于光的這場(chǎng)大戰(zhàn)。這也許是物理史上持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，程度最激烈的一場(chǎng)論戰(zhàn)。它幾乎貫穿于整個(gè)現(xiàn)代物理的發(fā)展過(guò)程中，在歷史上燒灼下了永不磨滅的烙印。
光，是每個(gè)人見得最多的東西（“見得最多”在這里用得真是一點(diǎn)也不錯(cuò)）。自古以來(lái)，它就被理所當(dāng)然地認(rèn)為是這個(gè)宇宙最原始的事物之一。在遠(yuǎn)古的神話中，往往是“一道亮光”劈開了混沌和黑暗，于是世界開始了運(yùn)轉(zhuǎn)。光在人們的心目中，永遠(yuǎn)代表著生命，活力和希望。在《圣經(jīng)》里，神要?jiǎng)?chuàng)造世界，首先要?jiǎng)?chuàng)造的就是光，可見它在這個(gè)宇宙中所占的獨(dú)一無(wú)二的地位。
可是，光究竟是一種什么東西？或者，它究竟是不是一種“東西”呢？
遠(yuǎn)古時(shí)候的人們似乎是不把光作為一種實(shí)在的事物的，光亮與黑暗，在他們看來(lái)只是一種環(huán)境的不同罷了。只有到了古希臘，科學(xué)家們才開始好好地注意起光的問題來(lái)。有一樣事情是肯定的：我們之所以能夠看見東西，那是因?yàn)楣庠谄渲凶饔玫慕Y(jié)果。人們于是猜想，光是一種從我們的眼睛里發(fā)射出去的東西，當(dāng)它到達(dá)某樣事物的時(shí)候，這樣事物就被我們所“看見”了。比如恩培多克勒（Empedocles）就認(rèn)為世界是由水、火、氣、土四大元素組成的，而人的眼睛是女神阿芙羅狄忒（Aphrodite）用火點(diǎn)燃的，當(dāng)火元素（也就是光。古時(shí)候往往光、火不分）從人的眼睛里噴出到達(dá)物體時(shí)，我們就得以看見事物。
但顯而易見，這種解釋是不夠的。它可以說(shuō)明為什么我們睜著眼可以看見，而閉上眼睛就不行；但它解釋不了為什么在暗的地方，我們即使睜著眼睛也看不見東西。為了解決這個(gè)困難，人們引進(jìn)了復(fù)雜得多的假設(shè)。比如認(rèn)為有三種不同的光，分別來(lái)源于眼睛，被看到的物體和光源，而視覺是三者綜合作用的結(jié)果。
這種假設(shè)無(wú)疑是太復(fù)雜了。到了羅馬時(shí)代，偉大的學(xué)者盧克萊修（Lucretius）在其不朽著作《物性論》中提出，光是從光源直接到達(dá)人的眼睛的，但是他的觀點(diǎn)卻始終不為人們所接受。對(duì)光成像的正確認(rèn)識(shí)直到公元1000年左右才被一個(gè)波斯的科學(xué)家阿爾·哈桑（al-Haytham）所提出：原來(lái)我們之所以能夠看到物體，只是由于光從物體上反射到我們眼睛里的結(jié)果。他提出了許多證據(jù)來(lái)證明這一點(diǎn)，其中最有力的就是小孔成像的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)我們親眼看到光通過(guò)小孔后成了一個(gè)倒立的像，我們就無(wú)可懷疑這一說(shuō)法的正確性了。
關(guān)于光的一些性質(zhì)，人們也很早就開始研究了?；诠饪偸亲咧本€的假定，歐幾里德（Euclid）在《反射光學(xué)》（Catoptrica）一書里面就研究了光的反射問題。托勒密（Ptolemy）、哈桑和開普勒（Johannes Kepler）都對(duì)光的折射作了研究，而荷蘭物理學(xué)家斯涅耳（W.Snell）則在他們的工作基礎(chǔ)上于1621年總結(jié)出了光的折射定律。最后，光的種種性質(zhì)終于被有“業(yè)余數(shù)學(xué)之王”之稱的費(fèi)爾馬（Pierre de Fermat）所歸結(jié)為一個(gè)簡(jiǎn)單的法則，那就是“光總是走最短的路線”。光學(xué)終于作為一門物理學(xué)科被正式確立起來(lái)。
但是，當(dāng)人們已經(jīng)對(duì)光的種種行為了如指掌的時(shí)候，卻依然有一個(gè)最基本的問題沒有得到解決，那就是：“光在本質(zhì)上到底是一種什么東西？”這個(gè)問題看起來(lái)似乎并沒有那么難回答，但人們大概不會(huì)想到，對(duì)于這個(gè)問題的探究居然會(huì)那樣地曠日持久，而這一探索的過(guò)程，對(duì)物理學(xué)的影響竟然會(huì)是那么地深遠(yuǎn)和重大，其意義超過(guò)當(dāng)時(shí)任何一個(gè)人的想象。
古希臘時(shí)代的人們總是傾向于把光看成是一種非常細(xì)小的粒子流，換句話說(shuō)光是由一粒粒非常小的“光原子”所組成的。這種觀點(diǎn)一方面十分符合當(dāng)時(shí)流行的元素說(shuō)，另外一方面，當(dāng)時(shí)的人們除了粒子之外對(duì)別的物質(zhì)形式也了解得不是太多。這種理論，我們把它稱之為光的“微粒說(shuō)”。微粒說(shuō)從直觀上看來(lái)是很有道理的，首先它就可以很好地解釋為什么光總是沿著直線前進(jìn)，為什么會(huì)嚴(yán)格而經(jīng)典地反射，甚至折射現(xiàn)象也可以由粒子流在不同介質(zhì)里的速度變化而得到解釋。但是粒子說(shuō)也有一些顯而易見的困難：比如人們當(dāng)時(shí)很難說(shuō)清為什么兩道光束相互碰撞的時(shí)候不會(huì)互相彈開，人們也無(wú)法得知，這些細(xì)小的光粒子在點(diǎn)上燈火之前是隱藏在何處的，它們的數(shù)量是不是可以無(wú)限多，等等。
當(dāng)黑暗的中世紀(jì)過(guò)去之后，人們對(duì)自然世界有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。波動(dòng)現(xiàn)象被深入地了解和研究，聲音是一種波動(dòng)的認(rèn)識(shí)也逐漸為人們所接受。人們開始懷疑：既然聲音是一種波，為什么光不能夠也是波呢？十七世紀(jì)初，笛卡兒（Des Cartes）在他《方法論》的三個(gè)附錄之一《折光學(xué)》中率先提出了這樣的可能：光是一種壓力，在媒質(zhì)里傳播。不久后，意大利的一位數(shù)學(xué)教授格里馬第（Francesco Maria Grimaldi）做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他讓一束光穿過(guò)兩個(gè)小孔后照到暗室里的屏幕上，發(fā)現(xiàn)在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格里馬第馬上聯(lián)想起了水波的衍射（這個(gè)大家在中學(xué)物理的插圖上應(yīng)該都見過(guò)），于是提出：光可能是一種類似水波的波動(dòng)，這就是最早的光波動(dòng)說(shuō)。
波動(dòng)說(shuō)認(rèn)為，光不是一種物質(zhì)粒子，而是由于介質(zhì)的振動(dòng)而產(chǎn)生的一種波。我們想象一下水波，它不是一種實(shí)際的傳遞，而是沿途的水面上下振動(dòng)的結(jié)果。光的波動(dòng)說(shuō)容易解釋投影里的明暗條紋，也容易解釋光束可以互相穿過(guò)互不干擾。關(guān)于直線傳播和反射的問題，人們很快就認(rèn)識(shí)到光的波長(zhǎng)是很短的，在大多數(shù)情況下，光的行為就猶同經(jīng)典粒子一樣。而衍射實(shí)驗(yàn)則更加證明了這一點(diǎn)。但是波動(dòng)說(shuō)有一個(gè)基本的難題，那就是任何波動(dòng)都需要有介質(zhì)才能夠傳遞，比如聲音，在真空里就無(wú)法傳播。而光則不然，它似乎不需要任何媒介就可以任意地前進(jìn)。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，星光可以穿過(guò)幾乎虛無(wú)一物的太空來(lái)到地球，這對(duì)波動(dòng)說(shuō)顯然是非常不利的。但是波動(dòng)說(shuō)巧妙地?cái)[脫了這個(gè)難題：它假設(shè)了一種看不見摸不著的介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)光的傳播，這種介質(zhì)有一個(gè)十分響亮而讓人印象深刻的名字，叫做“以太”（Aether）。
就在這樣一種奇妙的氣氛中，光的波動(dòng)說(shuō)登上了歷史舞臺(tái)。我們很快就會(huì)看到，這個(gè)新生力量似乎是微粒說(shuō)的前世冤家，它命中注定要與后者開展一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)世紀(jì)之久的戰(zhàn)爭(zhēng)。他們兩個(gè)的命運(yùn)始終互相糾纏在一起，如果沒有了對(duì)方，誰(shuí)也不能說(shuō)自己還是完整的。到了后來(lái)，他們簡(jiǎn)直就是為了對(duì)手而存在著。這出精彩的戲劇從一開始的伏筆，經(jīng)過(guò)兩個(gè)起落，到達(dá)令人眼花繚亂的高潮。而最后絕妙的結(jié)局則更讓我們相信，他們的對(duì)話幾乎是一種可遇而不可求的緣分。17世紀(jì)中期，正是科學(xué)的黎明到來(lái)之前那最后的黑暗，誰(shuí)也無(wú)法預(yù)見這兩朵小火花即將要引發(fā)一場(chǎng)熊熊大火。
********飯后閑話：說(shuō)說(shuō)“以太”（Aether）。
正如我們?cè)谏厦嫠吹降?，以太最初是作為光波媒介的假設(shè)而提出的。但“以太”一詞的由來(lái)則早在古希臘：亞里士多德在《論天》一書里闡述了他對(duì)天體的認(rèn)識(shí)。他認(rèn)為日月星辰圍繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)，但其組成卻不同與地上的四大元素水火氣土。天上的事物應(yīng)該是完美無(wú)缺的，它們只能由一種更為純潔的元素所構(gòu)成，這就是亞里士多德所謂的“第五元素”——以太（希臘文的αηθηρ）。而自從這個(gè)概念被借用到科學(xué)里來(lái)之后，以太在歷史上的地位可以說(shuō)是相當(dāng)微妙的，一方面，它曾經(jīng)扮演過(guò)如此重要的角色，以致成為整個(gè)物理學(xué)的基礎(chǔ)；另一方面，當(dāng)它榮耀不再時(shí)，也曾受盡嘲笑。雖然它不甘心地再三掙扎，改換頭面，賦予自己新的意義，卻仍然逃不了最終被拋棄的命運(yùn)，甚至有段時(shí)間幾乎成了偽科學(xué)的專用詞。但無(wú)論怎樣，以太的概念在科學(xué)史上還是占有它的地位的，它曾經(jīng)代表的光媒以及絕對(duì)參考系，雖然已經(jīng)退出了舞臺(tái)，但直到今天，仍然能夠喚起我們對(duì)那段黃金歲月的懷念。它就像是一張泛黃的照片，記載了一個(gè)貴族光榮的過(guò)去。今天，以太（Ether）作為另外一種概念用來(lái)命名一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（Ethernet），看到這個(gè)詞的時(shí)候，是不是也每每生出幾許慨嘆？
向以太致敬。
三
上次說(shuō)到，關(guān)于光究竟是什么的問題，在十七世紀(jì)中期有了兩種可能的假設(shè)：微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)。
然而在一開始的時(shí)候，雙方的武裝都是非常薄弱的。微粒說(shuō)固然有著悠久的歷史，但是它手中的力量是很有限的。光的直線傳播問題和反射折射問題本來(lái)是它的傳統(tǒng)領(lǐng)地，但波動(dòng)方面軍隊(duì)在發(fā)展了自己的理論后，迅速就在這兩個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)上與微粒平分秋色。而波動(dòng)論作為一種新興的理論，格里馬第的光衍射實(shí)驗(yàn)是它發(fā)家的最寶，但它卻拖著一個(gè)沉重的包袱，就是光以太的假設(shè)，這個(gè)憑空想象出來(lái)的媒介，將在很長(zhǎng)一段時(shí)間里成為波動(dòng)軍隊(duì)的累贅。
兩支力量起初并沒有發(fā)生什么武裝沖突。在笛卡兒的《方法論》那里，他們還依然心平氣和地站在一起供大家檢閱。導(dǎo)致“第一次微波戰(zhàn)爭(zhēng)”爆發(fā)的導(dǎo)火索是波義耳（Robert Boyle，中學(xué)里學(xué)過(guò)波馬定律的朋友一定還記得這個(gè)討厭的愛爾蘭人？）在1663年提出的一個(gè)理論。他認(rèn)為我們看到的各種顏色，其實(shí)并不是物體本身的屬性，而是光照上去才產(chǎn)生的效果。這個(gè)論調(diào)本身并沒有關(guān)系到微粒波動(dòng)什么事，但是卻引起了對(duì)顏色屬性的激烈爭(zhēng)論。
在格里馬第的眼里，顏色的不同，是因?yàn)楣獠l率的不同而引起的。他的實(shí)驗(yàn)引起了胡克（Robert Hooke）的興趣。胡克本來(lái)是波義耳的實(shí)驗(yàn)助手，當(dāng)時(shí)是英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員，同時(shí)也兼任實(shí)驗(yàn)管理員。他重復(fù)了格里馬第的工作，并仔細(xì)觀察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通過(guò)薄云母片而產(chǎn)生的光輝。根據(jù)他的判斷，光必定是某種快速的脈沖，于是他在1665年出版的《顯微術(shù)》（Micrographia）一書中明確地支持波動(dòng)說(shuō)?！讹@微術(shù)》這本著作很快為胡克贏得了世界性的學(xué)術(shù)聲譽(yù)，波動(dòng)說(shuō)由于這位大將的加入，似乎也在一時(shí)占了上風(fēng)。
然而不知是偶然，還是冥冥之中自有安排，一件似乎無(wú)關(guān)的事情改變了整個(gè)戰(zhàn)局的發(fā)展。
1672年，一位叫做艾薩克·牛頓的年輕人向皇家學(xué)會(huì)評(píng)議委員會(huì)遞交了一篇論文，名字叫做《關(guān)于光與色的新理論》。牛頓當(dāng)時(shí)才30歲，剛剛當(dāng)選為皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員。這是牛頓所發(fā)表的第一篇正式科學(xué)論文，其內(nèi)容是關(guān)于他所做的光的色散實(shí)驗(yàn)的，這也是牛頓所做的最為有名的實(shí)驗(yàn)之一。實(shí)驗(yàn)的情景在一些科學(xué)書籍里被渲染得十分impressive：炎熱難忍的夏天，牛頓卻戴著厚重的假發(fā)呆在一間小屋里。四面窗戶全都被封死了，屋子里面又悶又熱，一片漆黑，只有一束亮光從一個(gè)特意留出的小孔里面射進(jìn)來(lái)。牛頓不顧身上汗如雨下，全神貫注地在屋里走來(lái)走去，并不時(shí)地把手里的一個(gè)三棱鏡插進(jìn)那個(gè)小孔里。每當(dāng)三棱鏡被插進(jìn)去的時(shí)候，原來(lái)的那束白光就不見了，而在屋里的墻上，映射出了一條長(zhǎng)長(zhǎng)的彩色寬帶：顏色從紅一直到紫。牛頓憑借這個(gè)實(shí)驗(yàn)，得出了白色光是由七彩光混合而成的結(jié)論。
然而在這篇論文中，牛頓把光的復(fù)合和分解比喻成不同顏色微粒的混合和分開。胡克和波義耳正是當(dāng)時(shí)評(píng)議會(huì)的成員，他們對(duì)此觀點(diǎn)進(jìn)行了激烈的抨擊。胡克聲稱，牛頓論文中正確的部分（也就是色彩的復(fù)合）是竊取了他1665年的思想，而牛頓“原創(chuàng)”的微粒說(shuō)則不值一提。牛頓大怒，馬上撤回了論文，并賭氣般地宣稱不再發(fā)表任何研究成果。
其實(shí)在此之前，牛頓的觀點(diǎn)還是在微粒和波動(dòng)之間有所搖擺的，并沒有完全否認(rèn)波動(dòng)說(shuō)。1665年，胡克發(fā)表他的觀點(diǎn)時(shí)，牛頓還剛剛從劍橋三一學(xué)院畢業(yè)，也許還在蘋果樹前面思考他的萬(wàn)有引力問題呢。但在這件事之后，牛頓開始一面倒地支持微粒說(shuō)。這究竟是因?yàn)閳?bào)復(fù)心理，還是因?yàn)榭茖W(xué)精神，今天已經(jīng)無(wú)法得知了，想來(lái)兩方面都有其因素吧。不過(guò)牛頓的性格是以小氣和斤斤計(jì)較而聞名的，這從以后他和萊布尼茲關(guān)于微積分發(fā)明的爭(zhēng)論中也可見一斑。
但是，一方面因?yàn)楹说拿麣?，另一方面也因?yàn)榕ｎD的注意力更多地轉(zhuǎn)移到了運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)方面，牛頓暫時(shí)仍然沒有正式地全面論證微粒說(shuō)（只是在幾篇論文中反駁了胡克）。而這時(shí)候，波動(dòng)方面軍開始了他們的現(xiàn)代化進(jìn)程——用理論來(lái)裝備自己。荷蘭物理學(xué)家惠更斯（Christiaan Huygens）成為了波動(dòng)說(shuō)的主將。
惠更斯在數(shù)學(xué)理論方面是具有十分高的天才的，他繼承了胡克的思想，認(rèn)為光是一種在以太里傳播的縱波，并引入了“波前”的概念，成功地證明和推導(dǎo)了光的反射和折射定律。他的波動(dòng)理論雖然還十分粗略，但是所取得的成功卻是杰出的。當(dāng)時(shí)隨著光學(xué)研究的不斷深入，新的戰(zhàn)場(chǎng)不斷被開辟：1665年，牛頓在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)如果讓光通過(guò)一塊大曲率凸透鏡照射到光學(xué)平玻璃板上，會(huì)看見在透鏡與玻璃平板接觸處出現(xiàn)一組彩色的同心環(huán)條紋，也就是著名的“牛頓環(huán)”（對(duì)圖象和攝影有興趣的朋友一定知道）。到了1669年，丹麥的巴塞林那斯（E.Bartholinus）發(fā)現(xiàn)當(dāng)光在通過(guò)方解石晶體時(shí)，會(huì)出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象?；莞箤⑺睦碚搼?yīng)用于這些新發(fā)現(xiàn)上面，發(fā)現(xiàn)他的波動(dòng)軍隊(duì)可以容易地占領(lǐng)這些新辟的陣地，只需要作小小的改制即可（比如引進(jìn)橢圓波的概念）。1690年，惠更斯的著作《光論》（Traite de la Lumiere）出版，標(biāo)志著波動(dòng)說(shuō)在這個(gè)階段到達(dá)了一個(gè)興盛的頂點(diǎn)。
不幸的是，波動(dòng)方面暫時(shí)的得勢(shì)看來(lái)注定要成為曇花一現(xiàn)的泡沫。因?yàn)樵谒麄兊膶?duì)手那里站著一個(gè)光芒四射的偉大人物：艾薩克·牛頓先生（而且馬上就要成為爵士）。這位科學(xué)巨人——不管他是出于什么理由——已經(jīng)決定要給予波動(dòng)說(shuō)的軍隊(duì)以毫不留情的致命打擊。為了避免再次引起和胡克之間的爭(zhēng)執(zhí)，導(dǎo)致不必要的誤解，牛頓在戰(zhàn)術(shù)上也進(jìn)行了精心的安排。直到胡克去世后的第二年，也就是1704年，牛頓才出版了他的煌煌巨著《光學(xué)》（Opticks）。在這本劃時(shí)代的作品中，牛頓詳盡地闡述了光的色彩疊合與分散，從粒子的角度解釋了薄膜透光，牛頓環(huán)以及衍射實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的種種現(xiàn)象。他駁斥了波動(dòng)理論，質(zhì)疑如果光如同聲波一樣，為什么無(wú)法繞開障礙物前進(jìn)。他也對(duì)雙折射現(xiàn)象進(jìn)行了研究，提出了許多用波動(dòng)理論無(wú)法解釋的問題。而粒子方面的基本困難，牛頓則以他的天才加以解決。他從波動(dòng)對(duì)手那里吸收了許多東西，比如將波的一些有用的概念如振動(dòng)，周期等引入微粒論，從而很好地解答了牛頓環(huán)的難題。在另一方面，牛頓把粒子說(shuō)和他的力學(xué)體系結(jié)合在了一起，于是使得這個(gè)理論頓時(shí)呈現(xiàn)出無(wú)與倫比的力量。
這完全是一次摧枯拉朽般的打擊。那時(shí)的牛頓，已經(jīng)再不是那個(gè)可以在評(píng)議會(huì)上被人質(zhì)疑的青年。那時(shí)的牛頓，已經(jīng)是出版了《數(shù)學(xué)原理》的牛頓，已經(jīng)是發(fā)明了微積分的牛頓。那個(gè)時(shí)候，他已經(jīng)是國(guó)會(huì)議員，皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)，已經(jīng)成為科學(xué)史上神話般的人物。在世界各地，人們對(duì)他的力學(xué)體系頂禮膜拜，仿佛見到了上帝的啟示。而波動(dòng)說(shuō)則群龍無(wú)首（惠更斯也早于1695年去世），這支失去了領(lǐng)袖的軍隊(duì)還沒有來(lái)得及在領(lǐng)土上建造幾座堅(jiān)固一點(diǎn)的堡壘，就遭到了毀滅性的打擊。他們驚恐萬(wàn)狀，潰不成軍，幾乎在一夜之間喪失了所有的陣地。這一方面是因?yàn)椴▌?dòng)自己的防御工事有不足之處，它的理論仍然不夠完善，另一方面也實(shí)在是因?yàn)閷?duì)手的實(shí)力過(guò)于強(qiáng)大：牛頓作為光學(xué)界的泰斗，他的才華和權(quán)威是不容質(zhì)疑的。第一次微波戰(zhàn)爭(zhēng)就這樣以波動(dòng)的慘敗而告終，戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)果是微粒說(shuō)牢牢占據(jù)了物理界的主流。波動(dòng)被迫轉(zhuǎn)入地下，在長(zhǎng)達(dá)整整一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里都抬不起頭來(lái)。然而，它卻仍然沒有被消滅，惠更斯等人所做的開創(chuàng)性工作使得它仍然具有頑強(qiáng)的生命力，默默潛伏著以待東山再起的那天。
*********飯后閑話：胡克與牛頓
胡克和牛頓在歷史上也算是一對(duì)歡喜冤家。兩個(gè)人都在力學(xué)，光學(xué)，儀器等方面有著偉大的貢獻(xiàn)。兩人互相啟發(fā)，但是之間也存在著不少的爭(zhēng)論。除了關(guān)于光本性的爭(zhēng)論之外，他們之間還有一個(gè)爭(zhēng)執(zhí)，那就是萬(wàn)有引力的平方反比定律究竟是誰(shuí)發(fā)現(xiàn)的問題。胡克在力學(xué)與行星運(yùn)動(dòng)方面花過(guò)許多心血，他深入研究了開普勒定律，于1964年提出了行星軌道因引力而彎曲成橢圓的觀點(diǎn)。1674年他根據(jù)修正的慣性原理，提出了行星運(yùn)動(dòng)的理論。1679年，他在寫給牛頓的信中，提出了引力大小與距離的平方成反比這個(gè)概念，但是說(shuō)得比較模糊，并未加之量化（原文是：…my supposition is that the Attraction always is in a duplicate proportion to the distance from the center reciprocal）。在牛頓的《原理》出版之后，胡克要求承認(rèn)他對(duì)這個(gè)定律的優(yōu)先發(fā)現(xiàn)，但牛頓最后的回答卻是把所有涉及胡克的引用都從《原理》里面給刪掉了。
應(yīng)該說(shuō)胡克也是一位偉大的科學(xué)家，他曾幫助波義耳發(fā)現(xiàn)波義耳定律，用自己的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了植物的細(xì)胞，他在地質(zhì)學(xué)方面的工作（尤其是對(duì)化石的觀測(cè)）影響了這個(gè)學(xué)科整整30年，他發(fā)明和制造的儀器（如顯微鏡、空氣唧筒、發(fā)條擺輪、輪形氣壓表等）在當(dāng)時(shí)無(wú)與倫比。他所發(fā)現(xiàn)的彈性定律是力學(xué)最重要的定律之一。在那個(gè)時(shí)代，他在力學(xué)和光學(xué)方面是僅次于牛頓的偉大科學(xué)家，可是似乎他卻永遠(yuǎn)生活在牛頓的陰影里。今天的牛頓名滿天下，但今天的中學(xué)生只有從課本里的胡克定律（彈性定律）才知道胡克的名字，胡克死前已經(jīng)變得憤世嫉俗，字里行間充滿了挖苦。他死后連一張畫像也沒有留下來(lái)，據(jù)說(shuō)是因?yàn)樗?#8220;太丑了”。
四
上次說(shuō)到，在微粒與波動(dòng)的第一次交鋒中，以牛頓為首的微粒說(shuō)戰(zhàn)勝了波動(dòng)，取得了在物理上被普遍公認(rèn)的地位。
轉(zhuǎn)眼間，近一個(gè)世紀(jì)過(guò)去了。牛頓體系的地位已經(jīng)是如此地崇高，令人不禁有一種目眩的感覺。而他所提倡的光是一種粒子的觀念也已經(jīng)是如此地深入人心，以致人們幾乎都忘了當(dāng)年它那對(duì)手的存在。
然而1773年的6月13日，英國(guó)米爾沃頓（Milverton）的一個(gè)教徒的家庭里誕生了一個(gè)男孩，叫做托馬斯·楊（Thomas Young）。這個(gè)未來(lái)反叛派領(lǐng)袖的成長(zhǎng)史是一個(gè)典型的天才歷程，他兩歲的時(shí)候就能夠閱讀各種經(jīng)典，6歲時(shí)開始學(xué)習(xí)拉丁文，14歲就用拉丁文寫過(guò)一篇自傳，到了16歲時(shí)他已經(jīng)能夠說(shuō)10種語(yǔ)言，并學(xué)習(xí)了牛頓的《數(shù)學(xué)原理》以及拉瓦錫的《化學(xué)綱要》等科學(xué)著作。
楊19歲的時(shí)候，受到他那當(dāng)醫(yī)生的叔父的影響，決定去倫敦學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)。在以后的日子里，他先后去了愛丁堡和哥廷根大學(xué)攻讀，最后還是回到劍橋的伊曼紐爾學(xué)院終結(jié)他的學(xué)業(yè)。在他還是學(xué)生的時(shí)候，楊研究了人體上眼睛的構(gòu)造，開始接觸到了光學(xué)上的一些基本問題，并最終形成了他的光是波動(dòng)的想法。楊的這個(gè)認(rèn)識(shí)，是來(lái)源于波動(dòng)中所謂的“干涉”現(xiàn)象。
我們都知道，普通的物質(zhì)是具有累加性的，一滴水加上一滴水一定是兩滴水，而不會(huì)一起消失。但是波動(dòng)就不同了，一列普通的波，它有著波的高峰和波的谷底，如果兩列波相遇，當(dāng)它們正好都處在高峰時(shí)，那么疊加起來(lái)的這個(gè)波就會(huì)達(dá)到兩倍的峰值，如果都處在低谷時(shí)，疊加的結(jié)果就會(huì)是兩倍深的谷底。但是，等等，如果正好一列波在它的高峰，另外一列波在它的谷底呢？
答案是它們會(huì)互相抵消。如果兩列波在這樣的情況下相遇（物理上叫做“反相”），那么在它們重疊的地方，將會(huì)波平如鏡，既沒有高峰，也沒有谷底。這就像一個(gè)人把你往左邊拉，另一個(gè)人用相同的力氣把你往右邊拉，結(jié)果是你會(huì)站在原地不動(dòng)。
托馬斯·楊在研究牛頓環(huán)的明暗條紋的時(shí)候，被這個(gè)關(guān)于波動(dòng)的想法給深深打動(dòng)了。為什么會(huì)形成一明一暗的條紋呢？一個(gè)思想漸漸地在楊的腦海里成型：用波來(lái)解釋不是很簡(jiǎn)單嗎？明亮的地方，那是因?yàn)閮傻拦庹檬?#8220;同相”的，它們的波峰和波谷正好相互增強(qiáng)，結(jié)果造成了兩倍光亮的效果（就好像有兩個(gè)人同時(shí)在左邊或者右邊拉你）；而黑暗的那些條紋，則一定是兩道光處于“反相”，它們的波峰波谷相對(duì)，正好互相抵消了（就好像兩個(gè)人同時(shí)在兩邊拉你）。這一大膽而富于想象的見解使楊激動(dòng)不已，他馬上著手進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，并于1801年和1803年分別發(fā)表論文報(bào)告，闡述了如何用光波的干涉效應(yīng)來(lái)解釋牛頓環(huán)和衍射現(xiàn)象。甚至通過(guò)他的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出了光的波長(zhǎng)應(yīng)該在1/36000至1/60000英寸之間。
在1807年，楊總結(jié)出版了他的《自然哲學(xué)講義》，里面綜合整理了他在光學(xué)方面的工作，并在里面第一次描述了他那個(gè)名揚(yáng)四海的實(shí)驗(yàn)：光的雙縫干涉。后來(lái)的歷史證明，這個(gè)實(shí)驗(yàn)完全可以躋身于物理學(xué)史上最經(jīng)典的前五個(gè)實(shí)驗(yàn)之列，而在今天，它已經(jīng)出現(xiàn)在每一本中學(xué)物理的教科書上。
楊的實(shí)驗(yàn)手段極其簡(jiǎn)單：把一支蠟燭放在一張開了一個(gè)小孔的紙前面，這樣就形成了一個(gè)點(diǎn)光源（從一個(gè)點(diǎn)發(fā)出的光源）?，F(xiàn)在在紙后面再放一張紙，不同的是第二張紙上開了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過(guò)兩道狹縫投到屏幕上，就會(huì)形成一系列明、暗交替的條紋，這就是現(xiàn)在眾人皆知的干涉條紋。
楊的著作點(diǎn)燃了革命的導(dǎo)火索，物理史上的“第二次微波戰(zhàn)爭(zhēng)”開始了。波動(dòng)方面軍在經(jīng)過(guò)了百年的沉寂之后，終于又回到了歷史舞臺(tái)上來(lái)。但是它當(dāng)時(shí)的日子并不是好過(guò)的，在微粒大軍仍然一統(tǒng)天下的年代，波動(dòng)的士兵們衣衫襤褸，缺少后援，只能靠游擊戰(zhàn)來(lái)引起人們對(duì)它的注意。楊的論文開始受盡了權(quán)威們的嘲笑和諷刺，被攻擊為“荒唐”和“不合邏輯”，在近20年間竟然無(wú)人問津。楊為了反駁專門撰寫了論文，但是卻無(wú)處發(fā)表，只好印成小冊(cè)子，但是據(jù)說(shuō)發(fā)行后“只賣出了一本”。
不過(guò)，雖然高傲的微粒仍然沉醉在牛頓時(shí)代的光榮之中，一開始并不把起義的波動(dòng)叛亂分子放在眼睛里。但他們很快就發(fā)現(xiàn)，這些反叛者雖然人數(shù)不怎么多，服裝并不那么整齊，但是他們的武器卻今非昔比。在受到了幾次沉重的打擊后，干涉條紋這門波動(dòng)大炮的殺傷力終于驚動(dòng)整個(gè)微粒軍團(tuán)。這個(gè)簡(jiǎn)單巧妙的實(shí)驗(yàn)所揭示出來(lái)的現(xiàn)象證據(jù)確鑿，幾乎無(wú)法反駁。無(wú)論微粒怎么樣努力，也無(wú)法躲開對(duì)手的無(wú)情轟炸：它就是難以說(shuō)明兩道光疊加在一起怎么會(huì)反而造成黑暗。而波動(dòng)的理由卻是簡(jiǎn)單而直接的：兩個(gè)小孔距離屏幕上某點(diǎn)的距離會(huì)有所不同。當(dāng)這個(gè)距離是波長(zhǎng)的整數(shù)值時(shí)，兩列光波正好互相加強(qiáng)，就形成亮點(diǎn)。反之，當(dāng)距離差剛好造成半個(gè)波長(zhǎng)的相位差時(shí)，兩列波就正好互相抵消，造成暗點(diǎn)。理論計(jì)算出的明亮條紋距離和實(shí)驗(yàn)值分毫不差。
在節(jié)節(jié)敗退后，微粒終于發(fā)現(xiàn)自己無(wú)法抵擋對(duì)方的進(jìn)攻。于是它采取了以攻代守的戰(zhàn)略。許多對(duì)波動(dòng)說(shuō)不利的實(shí)驗(yàn)證據(jù)被提出來(lái)以證明波動(dòng)說(shuō)的矛盾。其中最為知名的就是馬呂斯（Etienne Louis Malus）在1809年發(fā)現(xiàn)的偏振現(xiàn)象，這一現(xiàn)象和已知的波動(dòng)論有抵觸的地方。兩大對(duì)手開始相持不下，但是各自都沒有放棄自己獲勝的信心。楊在給馬呂斯的信里說(shuō)：“……您的實(shí)驗(yàn)只是證明了我的理論有不足之處，但沒有證明它是虛假的。”
決定性的時(shí)刻在1819年到來(lái)了。最后的決戰(zhàn)起源于1818年法國(guó)科學(xué)院的一個(gè)懸賞征文競(jìng)賽。競(jìng)賽的題目是利用精密的實(shí)驗(yàn)確定光的衍射效應(yīng)以及推導(dǎo)光線通過(guò)物體附近時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。競(jìng)賽評(píng)委會(huì)由許多知名科學(xué)家組成，這其中包括比奧（J.B.Biot）、拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）和泊松（S.D.Poission），都是積極的微粒說(shuō)擁護(hù)者。組織這個(gè)競(jìng)賽的本意是希望通過(guò)微粒說(shuō)的理論來(lái)解釋光的衍射以及運(yùn)動(dòng)，以打擊波動(dòng)理論。
但是戲劇性的情況出現(xiàn)了。一個(gè)不知名的法國(guó)年輕工程師——菲涅耳（Augustin Fresnel，當(dāng)時(shí)他才31歲）向組委會(huì)提交了一篇論文《關(guān)于偏振光線的相互作用》。在這篇論文里，菲涅耳采用了光是一種波動(dòng)的觀點(diǎn)，但是革命性地認(rèn)為光是一種橫波（也就是類似水波那樣，振子作相對(duì)傳播方向垂直運(yùn)動(dòng)的波）而不像從胡克以來(lái)一直所認(rèn)為的那樣是一種縱波（類似彈簧波，振子作相對(duì)傳播方向水平運(yùn)動(dòng)的波）。從這個(gè)觀念出發(fā)，他以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理，圓滿地解釋了光的衍射，并解決了一直以來(lái)困擾波動(dòng)說(shuō)的偏振問題。他的體系完整而無(wú)缺，以至委員會(huì)成員為之深深驚嘆。泊松并不相信這一結(jié)論，對(duì)它進(jìn)行了仔細(xì)的審查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)把這個(gè)理論應(yīng)用于圓盤衍射的時(shí)候，在陰影中間將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)亮斑。這在泊松看來(lái)是十分荒謬的，影子中間怎么會(huì)出現(xiàn)亮斑呢？這差點(diǎn)使得菲涅爾的論文中途夭折。但菲涅耳的同事阿拉果（Franois Arago）在關(guān)鍵時(shí)刻堅(jiān)持要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)真的有一個(gè)亮點(diǎn)如同奇跡一般地出現(xiàn)在圓盤陰影的正中心，位置亮度和理論符合得相當(dāng)完美。
菲涅爾理論的這個(gè)勝利成了第二次微波戰(zhàn)爭(zhēng)的決定性事件。他獲得了那一屆的科學(xué)獎(jiǎng)（Grand Prix），同時(shí)一躍成為了可以和牛頓，惠更斯比肩的光學(xué)界的傳奇人物。圓盤陰影正中的亮點(diǎn)（后來(lái)被相當(dāng)有誤導(dǎo)性地稱作“泊松亮斑”）成了波動(dòng)軍手中威力不下于干涉條紋的重武器，給了微粒勢(shì)力以致命的一擊。起義者的烽火很快就燃遍了光學(xué)的所有領(lǐng)域，把微粒從統(tǒng)治的地位趕了下來(lái)，后者在嚴(yán)厲的打擊下捉襟見肘，節(jié)節(jié)潰退，到了19世紀(jì)中期，微粒說(shuō)挽回戰(zhàn)局的唯一希望就是光速在水中的測(cè)定結(jié)果了。因?yàn)楦鶕?jù)粒子論，這個(gè)速度應(yīng)該比真空中的光速要快，而根據(jù)波動(dòng)論，這個(gè)速度則應(yīng)該比真空中要慢才對(duì)。
然而不幸的微粒軍團(tuán)終于在1819年的莫斯科嚴(yán)冬之后，又于1850年迎來(lái)了它的滑鐵盧。這一年的5月6日，傅科（Foucault，他后來(lái)以“傅科擺”實(shí)驗(yàn)而聞名）向法國(guó)科學(xué)院提交了他關(guān)于光速測(cè)量實(shí)驗(yàn)的報(bào)告。在準(zhǔn)確地得出光在真空中的速度之后，他也進(jìn)行了水中光速的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)這個(gè)值小于真空中的速度。這一結(jié)果徹底宣判了微粒說(shuō)的死刑，波動(dòng)論終于在100多年后革命成功，登上了物理學(xué)統(tǒng)治地位的寶座。在勝利者的一片歡呼聲中，第二次微波戰(zhàn)爭(zhēng)隨著微粒的戰(zhàn)敗而宣告結(jié)束。
但是波動(dòng)內(nèi)部還是有一個(gè)小小的困難，就是以太的問題。光是一種橫波的事實(shí)已經(jīng)十分清楚，它傳播的速度也得到了精確測(cè)量，這個(gè)數(shù)值達(dá)到了30萬(wàn)公里/秒，是一個(gè)驚人的高速。通過(guò)傳統(tǒng)的波動(dòng)論，我們必然可以得出它的傳播媒介的性質(zhì)：這種媒介必定是十分的堅(jiān)硬，比最硬的物質(zhì)金剛石還要硬上不知多少倍。然而事實(shí)是從來(lái)就沒有任何人能夠看到或者摸到這種“以太”，也沒有實(shí)驗(yàn)測(cè)定到它的存在。星光穿越幾億億公里的以太來(lái)到地球，然而這些堅(jiān)硬無(wú)比的以太卻不能阻擋任何一顆行星或者彗星的運(yùn)動(dòng)，哪怕是最微小的也不行！
波動(dòng)對(duì)此的解釋是以太是一種剛性的粒子，但是它卻是如此稀薄，以致物質(zhì)在穿過(guò)它們時(shí)幾乎完全不受到任何阻力，“就像風(fēng)穿過(guò)一小片叢林”（托馬斯·楊語(yǔ)）。以太在真空中也是絕對(duì)靜止的，只有在透明物體中，可以部分地被拖曳（菲涅耳的部分拖曳假說(shuō)）。
這個(gè)觀點(diǎn)其實(shí)是十分牽強(qiáng)的，但是波動(dòng)說(shuō)并沒有為此困惑多久。因?yàn)楦蛹?dòng)人心的勝利很快就到來(lái)了。偉大的麥克斯韋于1856，1861和1865年發(fā)表了三篇關(guān)于電磁理論的論文，這是一個(gè)開天辟地的工作，它在牛頓力學(xué)的大廈上又完整地建立起了另一座巨構(gòu)，而且其輝煌燦爛絕不亞于前者。麥克斯韋的理論預(yù)言，光其實(shí)只是電磁波的一種。這段文字是他在1861年的第二篇論文《論物理力線》里面特地用斜體字寫下的。而我們?cè)诒菊碌囊婚_始已經(jīng)看到，這個(gè)預(yù)言是怎么樣由赫茲在1887年用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了的。波動(dòng)說(shuō)突然發(fā)現(xiàn)，它已經(jīng)不僅僅是光領(lǐng)域的統(tǒng)治者，而是業(yè)已成為了整個(gè)電磁王國(guó)的最高司令官。波動(dòng)的光輝到達(dá)了頂點(diǎn)，只要站在大地上，它的力量就像古希臘神話中的巨人那樣，是無(wú)窮無(wú)盡而不可戰(zhàn)勝的。而它所依靠的大地，就是麥克斯韋不朽的電磁理論。
*********飯后閑話：阿拉果（Dominique Fran·ois Jean Arago）的遺憾
阿拉果一向是光波動(dòng)說(shuō)的捍衛(wèi)者，他和菲涅耳在光學(xué)上其實(shí)是長(zhǎng)期合作的。菲涅耳關(guān)于光是橫波的思想，最初還是來(lái)源于托馬斯·楊寫給阿拉果的一封信。而對(duì)于相互垂直的兩束偏振光線的相干性的研究，是他和菲涅耳共同作出的，兩人的工作明確了來(lái)自同一光源但偏振面相互垂直的兩支光束，不能發(fā)生干涉。但在雙折射和偏振現(xiàn)象上，菲涅耳顯然更具有勇氣和革命精神，在兩人完成了《關(guān)于偏振光線的相互作用》這篇論文后，菲涅耳指出只有假設(shè)光是一種橫波，才能完滿地解釋這些現(xiàn)象，并給出了推導(dǎo)。然而阿拉果對(duì)此抱有懷疑態(tài)度，認(rèn)為菲涅耳走得太遠(yuǎn)了。他坦率地向菲涅耳表示，自己沒有勇氣發(fā)表這個(gè)觀點(diǎn)，并拒絕在這部分論文后面署上自己的名字。于是最終菲涅耳以自己一個(gè)人的名義提交了這部分內(nèi)容，引起了科學(xué)院的震動(dòng)，而最終的實(shí)驗(yàn)卻表明他是對(duì)的。
這大概是阿拉果一生中最大的遺憾，他本有機(jī)會(huì)和菲涅耳一樣成為在科學(xué)史上大名鼎鼎的人物。當(dāng)時(shí)的菲涅耳還是無(wú)名小輩，而他在學(xué)界卻已經(jīng)聲名顯赫，被選入法蘭西研究院時(shí)，得票甚至超過(guò)了著名的泊松。其實(shí)在光波動(dòng)說(shuō)方面，阿拉果做出了許多杰出的貢獻(xiàn)，不在菲涅耳之下，許多還是兩人互相啟發(fā)而致的。在菲涅耳面臨泊松的質(zhì)問時(shí)，阿拉果仍然站在了菲涅耳一邊，正是他的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了泊松光斑的存在，使得波動(dòng)說(shuō)取得了最后的勝利。但關(guān)鍵時(shí)候的遲疑，卻最終使得他失去了“物理光學(xué)之父”的稱號(hào)。這一桂冠如今戴在菲涅耳的頭上。
五
上次說(shuō)到，隨著麥克斯韋的理論為赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，光的波動(dòng)說(shuō)終于成為了一個(gè)板上釘釘?shù)氖聦?shí)。
波動(dòng)現(xiàn)在是如此的強(qiáng)大。憑借著麥?zhǔn)侠碚摰牧α?，它已?jīng)徹底地將微粒打倒，并且很快就拓土開疆，建立起一個(gè)空前的大帝國(guó)來(lái)。不久后，它的領(lǐng)土就橫跨整個(gè)電磁波的頻段，從微波到X射線，從紫外線到紅外線，從γ射線到無(wú)線電波……普通光線只是它統(tǒng)治下的一個(gè)小小的國(guó)家罷了。波動(dòng)君臨天下，振長(zhǎng)策而御宇內(nèi)，四海之間莫非王土。而可憐的微粒早已銷聲匿跡，似乎永遠(yuǎn)也無(wú)法翻身了。
赫茲的實(shí)驗(yàn)也同時(shí)標(biāo)志著經(jīng)典物理的頂峰。物理學(xué)的大廈從來(lái)都沒有這樣地金壁輝煌，令人嘆為觀止。牛頓的力學(xué)體系已經(jīng)是如此雄偉壯觀，現(xiàn)在麥克斯韋在它之上又構(gòu)建起了同等規(guī)模的另一幢建筑，它的光輝燦爛讓人幾乎不敢仰視。電磁理論在數(shù)學(xué)上完美得難以置信，著名的麥?zhǔn)戏匠探M剛一問世，就被世人驚為天物。它所表現(xiàn)出的深刻、對(duì)稱、優(yōu)美使得每一個(gè)科學(xué)家都陶醉在其中，玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）情不自禁地引用歌德的詩(shī)句說(shuō)：“難道是上帝寫的這些嗎？”一直到今天，麥?zhǔn)戏匠探M仍然被公認(rèn)為科學(xué)美的典范，即使在還沒有赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)之前，已經(jīng)廣泛地為人們所認(rèn)同。許多偉大的科學(xué)家都為它的魅力折服，并受它深深的影響，有著對(duì)于科學(xué)美的堅(jiān)定信仰，甚至認(rèn)為：對(duì)于一個(gè)科學(xué)理論來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)潔優(yōu)美要比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確來(lái)得更為重要。無(wú)論從哪個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，電磁論都是一種偉大的理論。羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）在他的名著《皇帝新腦》（The Emperor's New Mind）一書里毫不猶豫地將它和牛頓力學(xué)，相對(duì)論和量子論并列，稱之為“Superb”的理論。
物理學(xué)征服了世界。在19世紀(jì)末，它的力量控制著一切人們所知的現(xiàn)象。古老的牛頓力學(xué)城堡歷經(jīng)歲月磨礪風(fēng)雨吹打而始終屹立不倒，反而更加凸現(xiàn)出它的偉大和堅(jiān)固來(lái)。從天上的行星到地上的石塊，萬(wàn)物都必恭必敬地遵循著它制定的規(guī)則。1846年海王星的發(fā)現(xiàn)，更是它所取得的最偉大的勝利之一。在光學(xué)的方面，波動(dòng)已經(jīng)統(tǒng)一了天下，新的電磁理論更把它的光榮擴(kuò)大到了整個(gè)電磁世界。在熱的方面，熱力學(xué)三大定律已經(jīng)基本建立（第三定律已經(jīng)有了雛形），而在克勞修斯（Rudolph Clausius）、范德瓦爾斯（J.D. Van der Waals）、麥克斯韋、玻爾茲曼和吉布斯（Josiah Willard Gibbs）等天才的努力下，分子運(yùn)動(dòng)論和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)也被成功地建立起來(lái)了。更令人驚奇的是，這一切都彼此相符而互相包容，形成了一個(gè)經(jīng)典物理的大同盟。經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和經(jīng)典熱力學(xué)（加上統(tǒng)計(jì)力學(xué)）形成了物理世界的三大支柱。它們緊緊地結(jié)合在一塊兒，構(gòu)筑起了一座華麗而雄偉的殿堂。
這是一段偉大而光榮的日子，是經(jīng)典物理的黃金時(shí)代?？茖W(xué)的力量似乎從來(lái)都沒有這樣的強(qiáng)大，這樣地令人神往。人們也許終于可以相信，上帝造物的奧秘被他們所完全掌握了，再?zèng)]有遺漏的地方。從當(dāng)時(shí)來(lái)看，我們也許的確是有資格這樣驕傲的，因?yàn)樗赖囊磺形锢憩F(xiàn)象，幾乎都可以從現(xiàn)成的理論里得到解釋。力、熱、光、電、磁……一切的一切，都在控制之中，而且用的是同一種手法。物理學(xué)家們開始相信，這個(gè)世界所有的基本原理都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了，物理學(xué)已經(jīng)盡善盡美，它走到了自己的極限和盡頭，再也不可能有任何突破性的進(jìn)展了。如果說(shuō)還有什么要做的事情，那就是做一些細(xì)節(jié)上的修正和補(bǔ)充，更加精確地測(cè)量一些常數(shù)值罷了。人們開始傾向于認(rèn)為：物理學(xué)已經(jīng)終結(jié)，所有的問題都可以用這個(gè)集大成的體系來(lái)解決，而不會(huì)再有任何真正激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)了。一位著名的科學(xué)家（據(jù)說(shuō)就是偉大的開爾文勛爵）說(shuō)：“物理學(xué)的未來(lái)，將只有在小數(shù)點(diǎn)第六位后面去尋找”。普朗克的導(dǎo)師甚至勸他不要再浪費(fèi)時(shí)間去研究這個(gè)已經(jīng)高度成熟的體系。
19世紀(jì)末的物理學(xué)天空中閃爍著金色的光芒，象征著經(jīng)典物理帝國(guó)的全盛時(shí)代。這樣的偉大時(shí)期在科學(xué)史上是空前的，或許也將是絕后的。然而，這個(gè)統(tǒng)一的強(qiáng)大帝國(guó)卻注定了只能曇花一現(xiàn)。喧囂一時(shí)的繁盛，終究要像泡沫那樣破滅凋零。
今天回頭來(lái)看，赫茲1887年的電磁波實(shí)驗(yàn)（準(zhǔn)確地說(shuō)，是他于1887－1888年進(jìn)行的一系列的實(shí)驗(yàn)）的意義應(yīng)該是復(fù)雜而深遠(yuǎn)的。它一方面徹底建立了電磁場(chǎng)論，為經(jīng)典物理的繁榮添加了濃重的一筆；在另一方面，它卻同時(shí)又埋藏下了促使經(jīng)典物理自身毀滅的武器，孕育出了革命的種子。
我們還是回到我們故事的第一部分那里去：在卡爾斯魯厄大學(xué)的那間實(shí)驗(yàn)室里，赫茲銅環(huán)接收器的缺口之間不停地爆發(fā)著電火花，明白無(wú)誤地昭示著電磁波的存在。
但偶然間，赫茲又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：當(dāng)有光照射到這個(gè)缺口上的時(shí)候，似乎火花就出現(xiàn)得更容易一些。
赫茲把這個(gè)發(fā)現(xiàn)也寫成了論文發(fā)表，但在當(dāng)時(shí)并沒有引起很多的人的注意。當(dāng)時(shí)，學(xué)者們?cè)跒殡姶艌?chǎng)理論的成功而歡欣鼓舞，馬可尼們?cè)跒榱艘粋€(gè)巨大的商機(jī)而激動(dòng)不已，沒有人想到這篇論文的真正意義。連赫茲自己也不知道，量子存在的證據(jù)原來(lái)就在他的眼前，幾乎是觸手可得。不過(guò)，也許量子的概念太過(guò)爆炸性，太過(guò)革命性，命運(yùn)在冥冥中安排了它必須在新的世紀(jì)中才可以出現(xiàn)，而把懷舊和經(jīng)典留給了舊世紀(jì)吧。只是可惜赫茲走得太早，沒能親眼看到它的誕生，沒能目睹它究竟將要給這個(gè)世界帶來(lái)什么樣的變化。
終于，在經(jīng)典物理還沒有來(lái)得及多多體味一下自己的盛世前，一連串意想不到的事情在19世紀(jì)的最后幾年連續(xù)發(fā)生了，仿佛是一個(gè)不祥的預(yù)兆。
1895年，倫琴（Wilhelm Konrad Rontgen）發(fā)現(xiàn)了X射線。1896年，貝克勒爾（Antoine Herni Becquerel）發(fā)現(xiàn)了鈾元素的放射現(xiàn)象。1897年，居里夫人（Marie Curie）和她的丈夫皮埃爾·居里研究了放射性，并發(fā)現(xiàn)了更多的放射性元素：釷、釙、鐳。1897年，J.J.湯姆遜（Joseph John Thomson）在研究了陰極射線后認(rèn)為它是一種帶負(fù)電的粒子流。電子被發(fā)現(xiàn)了。1899年，盧瑟福（Ernest Rutherford）發(fā)現(xiàn)了元素的嬗變現(xiàn)象。
如此多的新發(fā)現(xiàn)接連涌現(xiàn)，令人一時(shí)間眼花繚亂。每一個(gè)人都開始感覺到了一種不安，似乎有什么重大的事件即將發(fā)生。物理學(xué)這座大廈依然聳立，看上去依然那么雄偉，那么牢不可破，但氣氛卻突然變得異常凝重起來(lái)，一種山雨欲來(lái)的壓抑感覺在人們心中擴(kuò)散。新的世紀(jì)很快就要來(lái)到，人們不知道即將發(fā)生什么，歷史將要何去何從。眺望天邊，人們隱約可以看到兩朵小小的烏云，小得那樣不起眼。沒人知道，它們即將帶來(lái)一場(chǎng)狂風(fēng)暴雨，將舊世界的一切從大地上徹底抹去。
但是，在暴風(fēng)雨到來(lái)之前，還是讓我們抬頭再看一眼黃金時(shí)代的天空，作為最后的懷念。金色的光芒照耀在我們的臉上，把一切都染上了神圣的色彩。經(jīng)典物理學(xué)的大廈在它的輝映下，是那樣莊嚴(yán)雄偉，溢彩流光，令人不禁想起神話中宙斯和眾神在奧林匹斯山上那亙古不變的宮殿。誰(shuí)又會(huì)想到，這震撼人心的壯麗，卻是斜陽(yáng)投射在龐大帝國(guó)土地上最后的余輝。 |
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