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量子物理史話 第一章 黃金時代
量子物理史話 第一章 黃金時代
曹天元(Capo)     阅读简体中文版

第一章 黃金時代

 一

 我們的故事要從1887年的德國開始。位于萊茵河邊的卡爾斯魯厄是一座風景秀麗的城市,在它 的城中心,矗立著著名的18世紀的宮殿。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 的一個旅游名勝。然而這些怡人的景色似乎沒有分散海因里希·魯道夫·赫茲(Heinrich Rudolf Hertz)的注意力:現在他正在卡爾斯魯厄大學的一間實驗室里專心致志地擺弄他的儀器。那時候, 赫茲剛剛30歲,也許不會想到他將在科學史上成為和他的老師赫耳姆霍茲(Hermann vonHelmholtz) 一樣鼎鼎有名的人物,不會想到他將和卡爾·本茨(CarlBenz)一樣成為這個小城的驕傲。現在他

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是很簡單的:它的主要部分是一個電火花發生器,有兩個相隔很近的小 銅球作為電容。赫茲全神貫注地注視著這兩個相對而視的銅球,然后合上了電路開關。頓時,電的 魔力開始在這個簡單的系統里展現出來:無形的電流穿過裝置里的感應線圈,并開始對銅球電容進 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。在電學的領 域攻讀了那么久,赫茲對自己的知識是有充分信心的,他知道,隨著電壓的上升,很快兩個小球之 間的空氣就會被擊穿,然后整個系統就會形成一個高頻的振蕩回路(LC回路),但是,他現在想要 觀察的不是這個。

 果然,過了一會兒,隨著細微的 “啪”的一聲,一束美麗的藍色電花爆開在兩個銅球之間,整個 系統形成了一個完整的回路,細小的電流束在空氣中不停地扭動,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。他不是要看這個裝置如何產生火花短路,他這個實驗的目的,是為了求證那虛無飄渺的 “電 磁波”的存在。那是一種什么樣的東西啊,它看不見,摸不著,到那時為止誰也沒有見過,驗證過它 的存在。可是,赫茲是堅信它的存在的,因為它是麥克斯韋(Maxwell)理論的一個預言。而麥克斯 韋理論……哦,它在數學上簡直完美得像一個奇跡!仿佛是上帝的手寫下的一首詩歌。這樣的理論, 很難想象它是錯誤的。赫茲吸了一口氣,又笑了:不管理論怎樣無懈可擊,它畢竟還是要通過實驗 來驗證的呀。他站在那里看了一會兒,在心里面又推想了幾遍,終于確定自己的實驗無誤:如果麥 克斯韋是對的話,那么在兩個銅球之間就應該產生一個振蕩的電場,同時引發一個向外傳播的電磁 波。赫茲轉過頭去,在實驗室的另一邊,放著一個開口的銅環,在開口處也各鑲了一個小銅球。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,那么它就會穿越這個房間到達另外一端, 在接收器那里感生一個振蕩的電動勢,從而在接收器的開口處也激發出電火花來。

 實驗室里面靜悄悄的,赫茲一動不動地站在那里,仿佛他的眼睛已經看見那無形的電磁波在空 間穿越。銅環接受器突然顯得有點異樣,赫茲簡直忍不住要大叫一聲,他把自己的鼻子湊到銅環的 前面,明明白白地看見似乎有微弱的火花在兩個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,現在更清楚了:淡藍色的電花在銅環的缺口不斷地綻開,而整個銅環卻是一個 隔離的系統,既沒有連接電池也沒有任何的能量來源。赫茲注視了足足有一分鐘之久,在他眼里, 那些藍色的火花顯得如此的美麗。終于他揉了揉眼睛,直起腰來:現在不用再懷疑了,電磁波真真 實實地存在于空間之中,正是它激發了接收器上的電火花。他勝利了,成功地解決了這個8年前由柏 林普魯士科學院提出懸賞的問題;同時,麥克斯韋的理論也勝利了,物理學的一個新高峰 ——電磁 理論終于被建立起來。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,電磁波的表現和理論預測的絲毫不爽。根據實驗數據, 赫茲得出了電磁波的波長,把它乘以電路的振蕩頻率,就可以計算出電磁波的前進速度。這個數值 精確地等于30萬公里/秒,也就是光速。麥克斯韋驚人的預言得到了證實:原來電磁波一點都不神秘, 我們平時見到的光就是電磁波的一種,只不過它的頻率限定在某一個范圍內,而能夠為我們所見到 罷了。

 無論從哪一個意義上來說,這都是一個了不起的發現。古老的光學終于可以被完全包容于新興 的電磁學里面,而 “光是電磁波的一種 ”的論斷,也終于為爭論已久的光本性的問題下了一個似乎是 不可推翻的定論(我們馬上就要去看看這場曠日持久的精彩大戰)。電磁波的反射、衍射和干涉實 驗很快就做出來了,這些實驗進一步地證實了電磁波和光波的一致性,無疑是電磁理論的一個巨大 成就。

 赫茲的名字終于可以被閃光地鐫刻在科學史的名人堂里,可是,作為一個純粹的嚴肅的科學家,

赫茲當時卻沒有想到他的發現里面所蘊藏的巨大的商業意義。在卡爾斯魯厄大學的那間實驗室里, 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驗會帶來一場怎么樣的時代 革命。赫茲英年早逝,還不到37歲就離開了這個他為之醉心的世界。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于電磁波的論文;兩年后,這個青年已經在公開場合進行 了無線電的通訊表演,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,無線電報已經可以穿越大西洋,實現兩地的實時通訊了。這個來自意大利的年輕人就是古格列 爾莫·馬可尼(Guglielmo Marconi),與此同時俄國的波波夫(Aleksandr Popov)也在無線通訊 領域做了同樣的貢獻。他們掀起了一場革命的風暴,把整個人類帶進了一個嶄新的 “信息時代 ”。不 知赫茲如果身后有知,又會做何感想?

 但仍然覺得赫茲只會對此置之一笑。他是那種純粹的科學家,把對真理的追求當作人生最大的 價值。恐怕就算他想到了電磁波的商業前景,也會不屑去把它付諸實踐的吧?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,和學生探討學術問題,這才是他真正 的人生吧。今天,他的名字已經成為頻率這個物理量的單位,被每個人不斷地提起,可是,或許他 還會嫌我們打擾他的安寧呢?

 上次我們說到,1887年,赫茲的實驗證實了電磁波的存在,也證實了光其實是電磁波的一種, 兩者具有共同的波的特性。這就為光的本性之爭畫上了一個似乎已經是不可更改的句號。

 說到這里,我們的故事要先回一回頭,穿越時空去回顧一下有關于光的這場大戰。這也許是物 理史上持續時間最長,程度最激烈的一場論戰。它幾乎貫穿于整個現代物理的發展過程中,在歷史 上燒灼下了永不磨滅的烙印。

光,是每個人見得最多的東西( “見得最多 ”在這里用得真是一點也不錯)。自古以來,它就被 理所當然地認為是這個宇宙最原始的事物之一。在遠古的神話中,往往是 “一道亮光 ”劈開了混沌和 黑暗,于是世界開始了運轉。光在人們的心目中,永遠代表著生命,活力和希望。在《圣經》里, 神要創造世界,首先要創造的就是光,可見它在這個宇宙中所占的獨一無二的地位。

 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?

 遠古時候的人們似乎是不把光作為一種實在的事物的,光亮與黑暗,在他們看來只是一種環境 的不同罷了。只有到了古希臘,科學家們才開始好好地注意起光的問題來。有一樣事情是肯定的: 我們之所以能夠看見東西,那是因為光在其中作用的結果。人們于是猜想,光是一種從我們的眼睛 里發射出去的東西,當它到達某樣事物的時候,這樣事物就被我們所 “看見”了。比如恩培多克勒 (Empedocles)就認為世界是由水、火、氣、土四大元素組成的,而人的眼睛是女神阿芙羅狄忒 (Aphrodite)用火點燃的,當火元素(也就是光。古時候往往光、火不分)從人的眼睛里噴出到達 物體時,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。為了解決這個困難,人們引進 了復雜得多的假設。比如認為有三種不同的光,分別來源于眼睛,被看到的物體和光源,而視覺是 三者綜合作用的結果。

 這種假設無疑是太復雜了。到了羅馬時代,偉大的學者盧克萊修(Lucretius)在其不朽著作 《物性論》中提出,光是從光源直接到達人的眼睛的,但是他的觀點卻始終不為人們所接受。對光 成像的正確認識直到公元1000年左右才被一個波斯的科學家阿爾·哈桑(al-Haytham)所提出:原 來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果。他提出了許多證據來

證明這一點,其中最有力的就是小孔成像的實驗,當我們親眼看到光通過小孔后成了一個倒立的像, 我們就無可懷疑這一說法的正確性了。

關于光的一些性質,人們也很早就開始研究了。基于光總是走直線的假定,歐幾里德(Euclid) 在《反射光學》(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)都對光的折射作了研究,而荷蘭物理學家斯涅耳(W.Snell)則在他們的工 作基礎上于1621年總結出了光的折射定律。最后,光的種種性質終于被有 “業余數學之王 ”之稱的費 爾馬(Pierre de Fermat)所歸結為一個簡單的法則,那就是 “光總是走最短的路線 ”。光學終于作 為一門物理學科被正式確立起來。

但是,當人們已經對光的種種行為了如指掌的時候,卻依然有一個最基本的問題沒有得到解決, 那就是: “光在本質上到底是一種什么東西? ”這個問題看起來似乎并沒有那么難回答,但人們大概 不會想到,對于這個問題的探究居然會那樣地曠日持久,而這一探索的過程,對物理學的影響竟然 會是那么地深遠和重大,其意義超過當時任何一個人的想象。

 古希臘時代的人們總是傾向于把光看成是一種非常細小的粒子流,換句話說光是由一粒粒非常 小的“光原子”所組成的。這種觀點一方面十分符合當時流行的元素說,另外一方面,當時的人們除 了粒子之外對別的物質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 ”。微粒說 從直觀上看來是很有道理的,首先它就可以很好地解釋為什么光總是沿著直線前進,為什么會嚴格 而經典地反射,甚至折射現象也可以由粒子流在不同介質里的速度變化而得到解釋。但是粒子說也 有一些顯而易見的困難:比如人們當時很難說清為什么兩道光束相互碰撞的時候不會互相彈開,人 們也無法得知,這些細小的光粒子在點上燈火之前是隱藏在何處的,它們的數量是不是可以無限多, 等等。

 當黑暗的中世紀過去之后,人們對自然世界有了進一步的認識。波動現象被深入地了解和研究, 聲音是一種波動的認識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?十七世紀初,笛卡兒(Des Cartes)在他《方法論》的三個附錄之一《折光學》中率先 提出了這樣的可能:光是一種壓力,在媒質里傳播。不久后,意大利的一位數學教授格里馬第 (Francesco Maria Grimaldi)做了一個實驗,他讓一束光穿過兩個小孔后照到暗室里的屏幕上, 發現在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格里馬第馬上聯想起了水波的衍射(這個大家在中學物 理的插圖上應該都見過),于是提出:光可能是一種類似水波的波動,這就是最早的光波動說。

 波動說認為,光不是一種物質粒子,而是由于介質的振動而產生的一種波。我們想象一下水波, 它不是一種實際的傳遞,而是沿途的水面上下振動的結果。光的波動說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互不干擾。關于直線傳播和反射的問題,人們很快就認識到光的波長 是很短的,在大多數情況下,光的行為就猶同經典粒子一樣。而衍射實驗則更加證明了這一點。但 是波動說有一個基本的難題,那就是任何波動都需要有介質才能夠傳遞,比如聲音,在真空里就無 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。舉一個簡單的例子,星光可以穿 過幾乎虛無一物的太空來到地球,這對波動說顯然是非常不利的。但是波動說巧妙地擺脫了這個難 題:它假設了一種看不見摸不著的介質來實現光的傳播,這種介質有一個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,光的波動說登上了歷史舞臺。我們很快就會看到,這個新生力量 似乎是微粒說的前世冤家,它命中注定要與后者開展一場長達數個世紀之久的戰爭。他們兩個的命 運始終互相糾纏在一起,如果沒有了對方,誰也不能說自己還是完整的。到了后來,他們簡直就是 為了對手而存在著。這出精彩的戲劇從一開始的伏筆,經過兩個起落,到達令人眼花繚亂的高潮。 而最后絕妙的結局則更讓我們相信,他們的對話幾乎是一種可遇而不可求的緣分。17世紀中期,正 是科學的黎明到來之前那最后的黑暗,誰也無法預見這兩朵小火花即將要引發一場熊熊大火。

********飯后閑話:說說 “以太”(Aether)。 正如我們在上面所看到的,以太最初是作為光波媒介的假設而提出的。但 “以太”一詞的由來則 早在古希臘:亞里士多德在《論天》一書里闡述了他對天體的認識。他認為日月星辰圍繞著地球運 轉,但其組成卻不同與地上的四大元素水火氣土。天上的事物應該是完美無缺的,它們只能由一種 更為純潔的元素所構成,這就是亞里士多德所謂的 “第五元素 ”——以太(希臘文的 αηθηρ)。而自 從這個概念被借用到科學里來之后,以太在歷史上的地位可以說是相當微妙的,一方面,它曾經扮 演過如此重要的角色,以致成為整個物理學的基礎;另一方面,當它榮耀不再時,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,甚至 有段時間幾乎成了偽科學的專用詞。但無論怎樣,以太的概念在科學史上還是占有它的地位的,它 曾經代表的光媒以及絕對參考系,雖然已經退出了舞臺,但直到今天,仍然能夠喚起我們對那段黃 金歲月的懷念。它就像是一張泛黃的照片,記載了一個貴族光榮的過去。今天,以太(Ether)作為 另外一種概念用來命名一種網絡協議(Ethernet),看到這個詞的時候,是不是也每每生出幾許慨 嘆?

 向以太致敬。

 三

 上次說到,關于光究竟是什么的問題,在十七世紀中期有了兩種可能的假設:微粒說和波動說。

 然而在一開始的時候,雙方的武裝都是非常薄弱的。微粒說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是它的傳統領地,但波動方面軍隊在發 展了自己的理論后,迅速就在這兩個戰場上與微粒平分秋色。而波動論作為一種新興的理論,格里 馬第的光衍射實驗是它發家的最大法寶,但它卻拖著一個沉重的包袱,就是光以太的假設,這個憑 空想象出來的媒介,將在很長一段時間里成為波動軍隊的累贅。

 兩支力量起初并沒有發生什么武裝沖突。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。導致 “第一次微波戰爭 ”爆發的導火索是波義耳(Robert Boyle,中學里學過波 馬定律的朋友一定還記得這個討厭的愛爾蘭人?)在1663年提出的一個理論。他認為我們看到的各 種顏色,其實并不是物體本身的屬性,而是光照上去才產生的效果。這個論調本身并沒有關系到微 粒波動什么事,但是卻引起了對顏色屬性的激烈爭論。

 在格里馬第的眼里,顏色的不同,是因為光波頻率的不同而引起的。他的實驗引起了胡克 (Robert Hooke)的興趣。胡克本來是波義耳的實驗助手,當時是英國皇家學會的會員,同時也兼 任實驗管理員。他重復了格里馬第的工作,并仔細觀察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通過薄 云母片而產生的光輝。根據他的判斷,光必定是某種快速的脈沖,于是他在1665年出版的《顯微術》 (Micrographia)一書中明確地支持波動說。《顯微術》這本著作很快為胡克贏得了世界性的學術 聲譽,波動說由于這位大將的加入,似乎也在一時占了上風。

 然而不知是偶然,還是冥冥之中自有安排,一件似乎無關的事情改變了整個戰局的發展。

1672年,一位叫做艾薩克·牛頓的年輕人向皇家學會評議委員會遞交了一篇論文,名字叫做《關 于光與色的新理論》。牛頓當時才30歲,剛剛當選為皇家學會的會員。這是牛頓所發表的第一篇正 式科學論文,其內容是關于他所做的光的色散實驗的,這也是牛頓所做的最為有名的實驗之一。實 驗的情景在一些科學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特意 留出的小孔里面射進來。牛頓不顧身上汗如雨下,全神貫注地在屋里走來走去,并不時地把手里的 一個三棱鏡插進那個小孔里。每當三棱鏡被插進去的時候,原來的那束白光就不見了,而在屋里的

墻上,映射出了一條長長的彩色寬帶:顏色從紅一直到紫。牛頓憑借這個實驗,得出了白色光是由 七彩光混合而成的結論。

 然而在這篇論文中,牛頓把光的復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 正是當時評議會的成員,他們對此觀點進行了激烈的抨擊。胡克聲稱,牛頓論文中正確的部分(也 就是色彩的復合)是竊取了他1665年的思想,而牛頓 “原創”的微粒說則不值一提。牛頓大怒,馬上撤 回了論文,并賭氣般地宣稱不再發表任何研究成果。

 其實在此之前,牛頓的觀點還是在微粒和波動之間有所搖擺的,并沒有完全否認波動說。1665 年,胡克發表他的觀點時,牛頓還剛剛從劍橋三一學院畢業,也許還在蘋果樹前面思考他的萬有引 力問題呢。但在這件事之后,牛頓開始一面倒地支持微粒說。這究竟是因為報復心理,還是因為科 學精神,今天已經無法得知了,想來兩方面都有其因素吧。不過牛頓的性格是以小氣和斤斤計較而 聞名的,這從以后他和萊布尼茲關于微積分發明的爭論中也可見一斑。

 但是,一方面因為胡克的名氣,另一方面也因為牛頓的注意力更多地轉移到了運動學和力學方 面,牛頓暫時仍然沒有正式地全面論證微粒說(只是在幾篇論文中反駁了胡克)。而這時候,波動 方面軍開始了他們的現代化進程 ——用理論來裝備自己。荷蘭物理學家惠更斯(ChristiaanHuygens)成為了波動說的主將。

 惠更斯在數學理論方面是具有十分高的天才的,他繼承了胡克的思想,認為光是一種在以太里 傳播的縱波,并引入了 “波前”的概念,成功地證明和推導了光的反射和折射定律。他的波動理論雖然 還十分粗略,但是所取得的成功卻是杰出的。當時隨著光學研究的不斷深入,新的戰場不斷被開辟: 1665年,牛頓在實驗中發現如果讓光通過一塊大曲率凸透鏡照射到光學平玻璃板上,會看見在透鏡 與玻璃平板接觸處出現一組彩色的同心環條紋,也就是著名的 “牛頓環 ”(對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)發現當光在通過方解石晶體時,會 出現雙折射現象。惠更斯將他的理論應用于這些新發現上面,發現他的波動軍隊可以容易地占領這 些新辟的陣地,只需要作小小的改制即可(比如引進橢圓波的概念)。1690年,惠更斯的著作《光 論》(Traite de la Lumiere)出版,標志著波動說在這個階段到達了一個興盛的頂點。

 不幸的是,波動方面暫時的得勢看來注定要成為曇花一現的泡沫。因為在他們的對手那里站著 一個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)。這位科學巨人 ——不管 他是出于什么理由 ——已經決定要給予波動說的軍隊以毫不留情的致命打擊。為了避免再次引起和 胡克之間的爭執,導致不必要的誤解,牛頓在戰術上也進行了精心的安排。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》(Opticks)。在這本劃時代的作品中,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,牛頓環以及衍射實驗中發現 的種種現象。他駁斥了波動理論,質疑如果光如同聲波一樣,為什么無法繞開障礙物前進。他也對 雙折射現象進行了研究,提出了許多用波動理論無法解釋的問題。而粒子方面的基本困難,牛頓則 以他的天才加以解決。他從波動對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,周 期等引入微粒論,從而很好地解答了牛頓環的難題。在另一方面,牛頓把粒子說和他的力學體系結 合在了一起,于是使得這個理論頓時呈現出無與倫比的力量。

 這完全是一次摧枯拉朽般的打擊。那時的牛頓,已經再不是那個可以在評議會上被人質疑的青 年。那時的牛頓,已經是出版了《數學原理》的牛頓,已經是發明了微積分的牛頓。那個時候,他 已經是國會議員,皇家學會會長,已經成為科學史上神話般的人物。在世界各地,人們對他的力學 體系頂禮膜拜,仿佛見到了上帝的啟示。而波動說則群龍無首(惠更斯也早于1695年去世),這支 失去了領袖的軍隊還沒有來得及在領土上建造幾座堅固一點的堡壘,就遭到了毀滅性的打擊。他們 驚恐萬狀,潰不成軍,幾乎在一夜之間喪失了所有的陣地。這一方面是因為波動自己的防御工事有 不足之處,它的理論仍然不夠完善,另一方面也實在是因為對手的實力過于強大:牛頓作為光學界 的泰斗,他的才華和權威是不容質疑的。第一次微波戰爭就這樣以波動的慘敗而告終,戰爭的結果

是微粒說牢牢占據了物理界的主流。波動被迫轉入地下,在長達整整一個世紀的時間里都抬不起頭 來。然而,它卻仍然沒有被消滅,惠更斯等人所做的開創性工作使得它仍然具有頑強的生命力,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歡喜冤家。兩個人都在力學,光學,儀器等方面有著偉大的貢 獻。兩人互相啟發,但是之間也存在著不少的爭論。除了關于光本性的爭論之外,他們之間還有一 個爭執,那就是萬有引力的平方反比定律究竟是誰發現的問題。胡克在力學與行星運動方面花過許 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。1674年 他根據修正的慣性原理,提出了行星運動的理論。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概念,但是說得比較模糊,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 centerreciprocal)。在牛頓的《原理》出版之后,胡克要求承認他對這個定律的優先發現,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。

 應該說胡克也是一位偉大的科學家,他曾幫助波義耳發現波義耳定律,用自己的顯微鏡發現了 植物的細胞,他在地質學方面的工作(尤其是對化石的觀測)影響了這個學科整整30年,他發明和 制造的儀器(如顯微鏡、空氣唧筒、發條擺輪、輪形氣壓表等)在當時無與倫比。他所發現的彈性 定律是力學最重要的定律之一。在那個時代,他在力學和光學方面是僅次于牛頓的偉大科學家,可 是似乎他卻永遠生活在牛頓的陰影里。今天的牛頓名滿天下,但今天的中學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,據說是因為他 “太丑了”。

 上次說到,在微粒與波動的第一次交鋒中,以牛頓為首的微粒說戰勝了波動,取得了在物理上 被普遍公認的地位。

 轉眼間,近一個世紀過去了。牛頓體系的地位已經是如此地崇高,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是如此地深入人心,以致人們幾乎都忘了當年它那對手的 存在。

然而1773年的6月13日,英國米爾沃頓(Milverton)的一個教徒的家庭里誕生了一個男孩,叫 做托馬斯·楊(Thomas Young)。這個未來反叛派領袖的成長史是一個典型的天才歷程,他兩歲的 時候就能夠閱讀各種經典,6歲時開始學習拉丁文,14歲就用拉丁文寫過一篇自傳,到了16歲時他已 經能夠說10種語言,并學習了牛頓的《數學原理》以及拉瓦錫的《化學綱要》等科學著作。

 楊19歲的時候,受到他那當醫生的叔父的影響,決定去倫敦學習醫學。在以后的日子里,他先 后去了愛丁堡和哥廷根大學攻讀,最后還是回到劍橋的伊曼紐爾學院終結他的學業。在他還是學生 的時候,楊研究了人體上眼睛的構造,開始接觸到了光學上的一些基本問題,并最終形成了他的光 是波動的想法。楊的這個認識,是來源于波動中所謂的 “干涉”現象。

 我們都知道,普通的物質是具有累加性的,一滴水加上一滴水一定是兩滴水,而不會一起消失。 但是波動就不同了,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,當它們正好都 處在高峰時,那么疊加起來的這個波就會達到兩倍的峰值,如果都處在低谷時,疊加的結果就會是 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,將會波平如鏡,既沒有高峰,也沒有谷底。這就像一個人把你往左邊拉,另一個人用 相同的力氣把你往右邊拉,結果是你會站在原地不動。

 托馬斯·楊在研究牛頓環的明暗條紋的時候,被這個關于波動的想法給深深打動了。為什么會 形成一明一暗的條紋呢?一個思想漸漸地在楊的腦海里成型:用波來解釋不是很簡單嗎?明亮的地 方,那是因為兩道光正好是 “同相”的,它們的波峰和波谷正好相互增強,結果造成了兩倍光亮的效果 (就好像有兩個人同時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,正好互相抵消了(就好像兩個人同時在兩邊拉你)。這一大膽而富于想象的見 解使楊激動不已,他馬上著手進行了一系列的實驗,并于1801年和1803年分別發表論文報告,闡述 了如何用光波的干涉效應來解釋牛頓環和衍射現象。甚至通過他的實驗數據,計算出了光的波長應 該在1/36000至1/60000英寸之間。

 在1807年,楊總結出版了他的《自然哲學講義》,里面綜合整理了他在光學方面的工作,并在 里面第一次描述了他那個名揚四海的實驗:光的雙縫干涉。后來的歷史證明,這個實驗完全可以躋 身于物理學史上最經典的前五個實驗之列,而在今天,它已經出現在每一本中學物理的教科書上。

 楊的實驗手段極其簡單:把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面,這樣就形成了一個點光 源(從一個點發出的光源)。現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兩道狹縫投到屏幕上,就會形成一系列明、暗交替的條紋,這就是現在眾人 皆知的干涉條紋。

 楊的著作點燃了革命的導火索,物理史上的 “第二次微波戰爭 ”開始了。波動方面軍在經過了百 年的沉寂之后,終于又回到了歷史舞臺上來。但是它當時的日子并不是好過的,在微粒大軍仍然一 統天下的年代,波動的士兵們衣衫襤褸,缺少后援,只能靠游擊戰來引起人們對它的注意。楊的論 文開始受盡了權威們的嘲笑和諷刺,被攻擊為 “荒唐”和“不合邏輯 ”,在近20年間竟然無人問津。楊為 了反駁專門撰寫了論文,但是卻無處發表,只好印成小冊子,但是據說發行后 “只賣出了一本 ”。

 不過,雖然高傲的微粒仍然沉醉在牛頓時代的光榮之中,一開始并不把起義的波動叛亂分子放 在眼睛里。但他們很快就發現,這些反叛者雖然人數不怎么多,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,干涉條紋這門波動大炮的殺傷力終于驚動整個微粒軍 團。這個簡單巧妙的實驗所揭示出來的現象證據確鑿,幾乎無法反駁。無論微粒怎么樣努力,也無 法躲開對手的無情轟炸:它就是難以說明兩道光疊加在一起怎么會反而造成黑暗。而波動的理由卻 是簡單而直接的:兩個小孔距離屏幕上某點的距離會有所不同。當這個距離是波長的整數值時,兩 列光波正好互相加強,就形成亮點。反之,當距離差剛好造成半個波長的相位差時,兩列波就正好 互相抵消,造成暗點。理論計算出的明亮條紋距離和實驗值分毫不差。

 在節節敗退后,微粒終于發現自己無法抵擋對方的進攻。于是它采取了以攻代守的戰略。許多 對波動說不利的實驗證據被提出來以證明波動說的矛盾。其中最為知名的就是馬呂斯(Etienne Louis Malus)在1809年發現的偏振現象,這一現象和已知的波動論有抵觸的地方。兩大對手開始相 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: “……您的實驗只是證明了 我的理論有不足之處,但沒有證明它是虛假的。 ”

 決定性的時刻在1819年到來了。最后的決戰起源于1818年法國科學院的一個懸賞征文競賽。競 賽的題目是利用精密的實驗確定光的衍射效應以及推導光線通過物體附近時的運動情況。競賽評委 會由許多知名科學家組成,這其中包括比奧(J.B.Biot)、拉普拉斯(Pierre Simon de Laplace) 和泊松(S.D.Poission),都是積極的微粒說擁護者。組織這個競賽的本意是希望通過微粒說的理 論來解釋光的衍射以及運動,以打擊波動理論。

 但是戲劇性的情況出現了。一個不知名的法國年輕工程師 ——菲涅耳(AugustinFresnel,當

時他才31歲)向組委會提交了一篇論文《關于偏振光線的相互作用》。在這篇論文里,菲涅耳采用 了光是一種波動的觀點,但是革命性地認為光是一種橫波(也就是類似水波那樣,振子作相對傳播 方向垂直運動的波)而不像從胡克以來一直所認為的那樣是一種縱波(類似彈簧波,振子作相對傳 播方向水平運動的波)。從這個觀念出發,他以嚴密的數學推理,圓滿地解釋了光的衍射,并解決 了一直以來困擾波動說的偏振問題。他的體系完整而無缺,以至委員會成員為之深深驚嘆。泊松并 不相信這一結論,對它進行了仔細的審查,結果發現當把這個理論應用于圓盤衍射的時候,在陰影 中間將會出現一個亮斑。這在泊松看來是十分荒謬的,影子中間怎么會出現亮斑呢?這差點使得菲 涅爾的論文中途夭折。但菲涅耳的同事阿拉果(Franois Arago)在關鍵時刻堅持要進行實驗檢測, 結果發現真的有一個亮點如同奇跡一般地出現在圓盤陰影的正中心,位置亮度和理論符合得相當完 美。

 菲涅爾理論的這個勝利成了第二次微波戰爭的決定性事件。他獲得了那一屆的科學獎(Grand Prix),同時一躍成為了可以和牛頓,惠更斯比肩的光學界的傳奇人物。圓盤陰影正中的亮點(后 來被相當有誤導性地稱作 “泊松亮斑 ”)成了波動軍手中威力不下于干涉條紋的重武器,給了微粒勢力 以致命的一擊。起義者的烽火很快就燃遍了光學的所有領域,把微粒從統治的地位趕了下來,后者 在嚴厲的打擊下捉襟見肘,節節潰退,到了19世紀中期,微粒說挽回戰局的唯一希望就是光速在水 中的測定結果了。因為根據粒子論,這個速度應該比真空中的光速要快,而根據波動論,這個速度 則應該比真空中要慢才對。

 然而不幸的微粒軍團終于在1819年的莫斯科嚴冬之后,又于1850年迎來了它的滑鐵盧。這一年 的5月6日,傅科(Foucault,他后來以 “傅科擺 ”實驗而聞名)向法國科學院提交了他關于光速測量實 驗的報告。在準確地得出光在真空中的速度之后,他也進行了水中光速的測量,發現這個值小于真 空中的速度。這一結果徹底宣判了微粒說的死刑,波動論終于在100多年后革命成功,登上了物理學 統治地位的寶座。在勝利者的一片歡呼聲中,第二次微波戰爭隨著微粒的戰敗而宣告結束。

 但是波動內部還是有一個小小的困難,就是以太的問題。光是一種橫波的事實已經十分清楚, 它傳播的速度也得到了精確測量,這個數值達到了30萬公里/秒,是一個驚人的高速。通過傳統的波 動論,我們必然可以得出它的傳播媒介的性質:這種媒介必定是十分的堅硬,比最硬的物質金剛石 還要硬上不知多少倍。然而事實是從來就沒有任何人能夠看到或者摸到這種 “以太”,也沒有實驗測定 到它的存在。星光穿越幾億億公里的以太來到地球,然而這些堅硬無比的以太卻不能阻擋任何一顆 行星或者彗星的運動,哪怕是最微小的也不行!

 波動對此的解釋是以太是一種剛性的粒子,但是它卻是如此稀薄,以致物質在穿過它們時幾乎 完全不受到任何阻力, “就像風穿過一小片叢林 ”(托馬斯·楊語)。以太在真空中也是絕對靜止的, 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)。 這個觀點其實是十分牽強的,但是波動說并沒有為此困惑多久。因為更加激動人心的勝利很快就到 來了。偉大的麥克斯韋于1856,1861和1865年發表了三篇關于電磁理論的論文,這是一個開天辟地 的工作,它在牛頓力學的大廈上又完整地建立起了另一座巨構,而且其輝煌燦爛絕不亞于前者。麥 克斯韋的理論預言,光其實只是電磁波的一種。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。而我們在本章的一開始已經看到,這個預言是怎么樣由赫茲在1887年用 實驗證實了的。波動說突然發現,它已經不僅僅是光領域的統治者,而是業已成為了整個電磁王國 的最高司令官。波動的光輝到達了頂點,只要站在大地上,它的力量就像古希臘神話中的巨人那樣, 是無窮無盡而不可戰勝的。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說的捍衛者,他和菲涅耳在光學上其實是長期合作的。菲涅耳關于光是橫 波的思想,最初還是來源于托馬斯·楊寫給阿拉果的一封信。而對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自同一光源但偏振面相互垂直的兩支

光束,不能發生干涉。但在雙折射和偏振現象上,菲涅耳顯然更具有勇氣和革命精神,在兩人完成 了《關于偏振光線的相互作用》這篇論文后,菲涅耳指出只有假設光是一種橫波,才能完滿地解釋 這些現象,并給出了推導。然而阿拉果對此抱有懷疑態度,認為菲涅耳走得太遠了。他坦率地向菲 涅耳表示,自己沒有勇氣發表這個觀點,并拒絕在這部分論文后面署上自己的名字。于是最終菲涅 耳以自己一個人的名義提交了這部分內容,引起了科學院的震動,而最終的實驗卻表明他是對的。

 這大概是阿拉果一生中最大的遺憾,他本有機會和菲涅耳一樣成為在科學史上大名鼎鼎的人 物。當時的菲涅耳還是無名小輩,而他在學界卻已經聲名顯赫,被選入法蘭西研究院時,得票甚至 超過了著名的泊松。其實在光波動說方面,阿拉果做出了許多杰出的貢獻,不在菲涅耳之下,許多 還是兩人互相啟發而致的。在菲涅耳面臨泊松的質問時,阿拉果仍然站在了菲涅耳一邊,正是他的 實驗證實了泊松光斑的存在,使得波動說取得了最后的勝利。但關鍵時候的遲疑,卻最終使得他失 去了“物理光學之父 ”的稱號。這一桂冠如今戴在菲涅耳的頭上。

 五

 上次說到,隨著麥克斯韋的理論為赫茲的實驗所證實,光的波動說終于成為了一個板上釘釘的 事實。

 波動現在是如此的強大。憑借著麥氏理論的力量,它已經徹底地將微粒打倒,并且很快就拓土 開疆,建立起一個空前的大帝國來。不久后,它的領土就橫跨整個電磁波的頻段,從微波到X射線, 從紫外線到紅外線,從 γ射線到無線電波……普通光線只是它統治下的一個小小的國家罷了。波動君 臨天下,振長策而御宇內,四海之間莫非王土。而可憐的微粒早已銷聲匿跡,似乎永遠也無法翻身 了。

 赫茲的實驗也同時標志著經典物理的頂峰。物理學的大廈從來都沒有這樣地金壁輝煌,令人嘆 為觀止。牛頓的力學體系已經是如此雄偉壯觀,現在麥克斯韋在它之上又構建起了同等規模的另一 幢建筑,它的光輝燦爛讓人幾乎不敢仰視。電磁理論在數學上完美得難以置信,著名的麥氏方程組 剛一問世,就被世人驚為天物。它所表現出的深刻、對稱、優美使得每一個科學家都陶醉在其中, 玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)情不自禁地引用歌德的詩句說: “難道是上帝寫的這些嗎? ”一直到今 天,麥氏方程組仍然被公認為科學美的典范,即使在還沒有赫茲的實驗證實之前,已經廣泛地為人 們所認同。許多偉大的科學家都為它的魅力折服,并受它深深的影響,有著對于科學美的堅定信仰, 甚至認為:對于一個科學理論來說,簡潔優美要比實驗數據的準確來得更為重要。無論從哪個意義 上來說,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》(TheEmperor's New Mind)一書里毫不猶豫地將它和牛頓力學,相對論和量子論并列,稱之為 “Superb” 的理論。

 物理學征服了世界。在19世紀末,它的力量控制著一切人們所知的現象。古老的牛頓力學城堡 歷經歲月磨礪風雨吹打而始終屹立不倒,反而更加凸現出它的偉大和堅固來。從天上的行星到地上 的石塊,萬物都必恭必敬地遵循著它制定的規則。1846年海王星的發現,更是它所取得的最偉大的 勝利之一。在光學的方面,波動已經統一了天下,新的電磁理論更把它的光榮擴大到了整個電磁世 界。在熱的方面,熱力學三大定律已經基本建立(第三定律已經有了雛形),而在克勞修斯(RudolphClausius)、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,分子運動論和統計熱力學也被成功地建立起來了。更令人驚奇的是,這一 切都彼此相符而互相包容,形成了一個經典物理的大同盟。經典力學、經典電動力學和經典熱力學 (加上統計力學)形成了物理世界的三大支柱。它們緊緊地結合在一塊兒,構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,是經典物理的黃金時代。科學的力量似乎從來都沒有這樣的強大, 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,再沒有遺漏的地

方。從當時來看,我們也許的確是有資格這樣驕傲的,因為所知道的一切物理現象,幾乎都可以從 現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。物理學家們開始相信,這個世界所有的基本原理都已經被發現了,物理學已經盡善盡美,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展了。如果說還有什么要做的事情,那就 是做一些細節上的修正和補充,更加精確地測量一些常數值罷了。人們開始傾向于認為:物理學已 經終結,所有的問題都可以用這個集大成的體系來解決,而不會再有任何真正激動人心的發現了。 一位著名的科學家(據說就是偉大的開爾文勛爵)說: “物理學的未來,將只有在小數點第六位后面 去尋找 ”。普朗克的導師甚至勸他不要再浪費時間去研究這個已經高度成熟的體系。

 19世紀末的物理學天空中閃爍著金色的光芒,象征著經典物理帝國的全盛時代。這樣的偉大時 期在科學史上是空前的,或許也將是絕后的。然而,這個統一的強大帝國卻注定了只能曇花一現。 喧囂一時的繁盛,終究要像泡沫那樣破滅凋零。

 今天回頭來看,赫茲1887年的電磁波實驗(準確地說,是他于1887-1888年進行的一系列的實 驗)的意義應該是復雜而深遠的。它一方面徹底建立了電磁場論,為經典物理的繁榮添加了濃重的 一筆;在另一方面,它卻同時又埋藏下了促使經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:在卡爾斯魯厄大學的那間實驗室里,赫茲銅環接收 器的缺口之間不停地爆發著電火花,明白無誤地昭示著電磁波的存在。

 但偶然間,赫茲又發現了一個奇怪的現象:當有光照射到這個缺口上的時候,似乎火花就出現 得更容易一些。

 赫茲把這個發現也寫成了論文發表,但在當時并沒有引起很多的人的注意。當時,學者們在為 電磁場理論的成功而歡欣鼓舞,馬可尼們在為了一個巨大的商機而激動不已,沒有人想到這篇論文 的真正意義。連赫茲自己也不知道,量子存在的證據原來就在他的眼前,幾乎是觸手可得。不過, 也許量子的概念太過爆炸性,太過革命性,命運在冥冥中安排了它必須在新的世紀中才可以出現, 而把懷舊和經典留給了舊世紀吧。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 竟將要給這個世界帶來什么樣的變化。

 終于,在經典物理還沒有來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 的最后幾年連續發生了,仿佛是一個不祥的預兆。

1895年,倫琴(Wilhelm Konrad Rontgen)發現了X射線。1896年,貝克勒爾(Antoine HerniBecquerel)發現了鈾元素的放射現象。1897年,居里夫人(Marie Curie)和她的丈夫皮埃爾·居 里研究了放射性,并發現了更多的放射性元素:釷、釙、鐳。1897年,J.J.湯姆遜(JosephJohn Thomson) 在研究了陰極射線后認為它是一種帶負電的粒子流。電子被發現了。1899年,盧瑟福(ErnestRutherford)發現了元素的嬗變現象。

 如此多的新發現接連涌現,令人一時間眼花繚亂。每一個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生。物理學這座大廈依然聳立,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,一種山雨欲來的壓抑感覺在人們心中擴散。新的世紀很快就要來到, 人們不知道即將發生什么,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,它們即將帶來一場狂風暴雨,將舊世界的一切從大地上徹底抹去。

 但是,在暴風雨到來之前,還是讓我們抬頭再看一眼黃金時代的天空,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。經典物理學的大廈在它的輝映下,是那樣 莊嚴雄偉,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。誰又會 想到,這震撼人心的壯麗,卻是斜陽投射在龐大帝國土地上最后的余輝。

2013-08-23 09:59

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