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上帝掷骰子吗--量子物理史话 作者:castor_v_pollux-第章

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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。


********
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。



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

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