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主题:【史话】决战紫禁之巅之爱玻之战(1-1) -- jlanu

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家园 【史话】决战紫禁之巅之爱玻之战(1-2)

上次我们说到,1887年,赫兹的实验证实了电磁波的存在,也证实了光其实是电磁波的一

种,两者具有共同的波的特性。这就为光的本性之争画上了一个似乎已经是不可更改的句

号。

说到这里,我们的故事要先回一回头,穿越时空去回顾一下有关于光的这场大战。这也许

是物理史上持续时间最长,程度最激烈的一场论战。它几乎贯穿于整个现代物理的发展过

程中,在历史上烧灼下了永不磨灭的烙印。

光,是每个人见得最多的东西(“见得最多”在这里用得真是一点也不错)。自古以来,

它就被理所当然地认为是这个宇宙最原始的事物之一。在远古的神话中,往往是“一道亮

光”劈开了混沌和黑暗,于是世界开始了运转。光在人们的心目中,永远代表着生命,活

力和希望。在《圣经》里,神要创造世界,首先要创造的就是光,可见它在这个宇宙中所

占的独一无二的地位。

可是,光究竟是一种什么东西?或者,它究竟是不是一种“东西”呢?

远古时候的人们似乎是不把光作为一种实在的事物的,光亮与黑暗,在他们看来只是一种

环境的不同罢了。只有到了古希腊,科学家们才开始好好地注意起光的问题来。有一样事

情是肯定的:我们之所以能够看见东西,那是因为光在其中作用的结果。人们于是猜想,

光是一种从我们的眼睛里发射出去的东西,当它到达某样事物的时候,这样事物就被我们

所“看见”了。比如恩培多克勒(Empedocles)就认为世界是由水、火、气、土四大元素

组成的,而人的眼睛是女神阿芙罗狄忒(Aphrodite)用火点燃的,当火元素(也就是光

。古时候往往光、火不分)从人的眼睛里喷出到达物体时,我们就得以看见事物。

但显而易见,这种解释是不够的。它可以说明为什么我们睁着眼可以看见,而闭上眼睛就

不行;但它解释不了为什么在暗的地方,我们即使睁着眼睛也看不见东西。为了解决这个

困难,人们引进了复杂得多的假设。比如认为有三种不同的光,分别来源于眼睛,被看到

的物体和光源,而视觉是三者综合作用的结果。

这种假设无疑是太复杂了。到了罗马时代,伟大的学者卢克莱修(Lucretius)在其不朽

著作《物性论》中提出,光是从光源直接到达人的眼睛的,但是他的观点却始终不为人们

所接受。对光成像的正确认识直到公元1000年左右才被一个波斯的科学家阿尔•哈

桑(al-Haytham)所提出:原来我们之所以能够看到物体,只是由于光从物体上反射到我

们眼睛里的结果。他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(Eu

clid)在《反射光学》(Catoptrica)一书里面就研究了光的反射问题。托勒密(Ptolem

y)、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(Ethe

r)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。

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