上帝掷骰子吗-量子物理史话-第2部分
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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击。那时的牛顿,已经再不是那个可以在评议会上被人质疑 的青年。那时的牛顿,已经是出版了《数学原理》的牛顿,已经是发明了微积分的牛顿。 那个时候,他已经是国会议员,皇家学会会长,已经成为科学史上神话般的人物。在世界 各地,人们对他的力学体系顶礼膜拜,仿佛见到了上帝的启示。而波动说则群龙无首(惠 更斯也早于1695年去世),这支失去了领袖的军队还没有来得及在领土上建造几座坚固一 点的堡垒,就遭到了毁灭性的打击。他们惊恐万状,溃不成军,几乎在一夜之间丧失了所 有的阵地。这一方面是因为波动自己的防御工事有不足之处,它的理论仍然不够完善,另 一方面也实在是因为对手的实力过于强大:牛顿作为光学界的泰斗,他的才华和权威是不 容质疑的。第一次微波战争就这样以波动的惨败而告终,战争的结果是微粒说牢牢占据了 物理界的主流。波动被迫转入地下,在长达整整一个世纪的时间里都抬不起头来。然而, 它却仍然没有被消灭,惠更斯等人所做的开创性工作使得它仍然具有顽强的生命力,默默 潜伏着以待东山再起的那天。
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饭后闲话:胡克与牛顿 胡克和牛顿在历史上也算是一对欢喜冤家。两个人都在力学,光学,仪器等方面有着伟大 的贡献。两人互相启发,但是之间也存在着不少的争论。除了关于光本性的争论之外,他 们之间还有一个争执,那就是万有引力的平方反比定律究竟是谁发现的问题。胡克在力学 与行星运动方面花过许多心血,他深入研究了开普勒定律,于1964年提出了行星轨道因引 力而弯曲成椭圆的观点。1674年他根据修正的惯性原理,提出了行星运动的理论。1679年 ,他在写给牛顿的信中,提出了引力大小与距离的平方成反比这个概念,但是说得比较模 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)。在牛顿的 《原理》出版之后,胡克要求承认他对这个定律的优先发现,但牛顿最后的回答却是把所 有涉及胡克的引用都从《原理》里面给删掉了。 应该说胡克也是一位伟大的科学家,他曾帮助波义耳发现波义耳定律,用自己的显微镜发 现了植物的细胞,他在地质学方面的工作(尤其是对化石的观测)影响了这个学科整整30 年,他发明和制造的仪器(如显微镜、空气唧筒、发条摆轮、轮形气压表等)在当时无与 伦比。他所发现的弹性定律是力学最重要的定律之一。在那个时代,他在力学和光学方面 是仅次于牛顿的伟大科学家,可是似乎他却永远生活在牛顿的阴影里。今天的牛顿名