物理學的進化 · 第二章　力學觀的衰落

1.兩種電流體 以下是一份乏味的報告，討論的是幾個非常簡單的實驗。報告之所以乏味，不僅因為實驗描述不如實際做實驗那樣有趣，也是因為在未作理論闡明之前，實驗的意義尚未明了。我們的目的是為理論在物理學中的作用提供一個顯著的例子。 1.用一個玻璃底座支撐起一根金屬棒，棒的兩端用金屬線連接在驗電器上。驗電器是什麼東西呢？這是一個簡單的儀器，本質上由懸掛在一小段金屬末端的兩片金箔所組成，這些東西都被封閉在一個玻璃瓶中。金屬棒只與被稱為絕緣體的非金屬物相接觸。除了驗電器和金屬棒，我們還需要有一根硬橡膠棒和一塊法蘭絨。 實驗如下：先看一下兩片金箔是否合攏，因為這是其正常位置。萬一沒有合攏，用手指碰一下金屬棒就可以讓它們合起來。做了這些初步準備之後，用法蘭絨用力摩擦橡膠棒，再用橡膠棒觸碰金屬棒，兩片金箔會立刻張開！甚至在移走橡膠棒之後，它們也仍然是張開的。 2.我們再用同樣的儀器做另一個實驗，開始時金箔仍處於合攏狀態。這一次我們不讓橡膠棒實際觸碰金屬棒，而只是靠近金屬棒。驗電器的金箔再次張開，但情況有所不同。當把未觸碰金屬棒的橡膠棒移走之後，金箔不再繼續張開，而是立刻合攏，恢復到正常位置。 3.做第三個實驗時，我們把儀器略作改變。假定金屬棒由兩節連接而成。用法蘭絨摩擦橡膠棒以後再使之靠近金屬棒，同樣的現象再次發生，金箔張開了。但現在先把金屬棒分成它的兩節，然後把橡膠棒移走。我們發現這時金箔仍然張開，而不像第二個實驗中那樣恢復到正常位置。 對於這些質樸的實驗，人們很難表現出強烈的興趣。在中世紀，做這些實驗的人也許已經受過非難了。在我們看來，這些實驗似乎是乏味而缺乏條理的。讀過這份報告之後，即使要頭腦清晰地重述一遍恐怕都不容易。懂得一些理論，就能理解它們的意義了。我們還可以說：很難想像這樣的實驗是偶然做著玩的，對於它們的意義，實驗者一定預先有過確切的了解。 有一個非常質樸的理論能夠解釋上述所有事實，現在我們就來談談它的基本觀念。 存在著兩種電流體，一種叫作正的（+），另一種叫作負的（-）。它們有點像我們前面已經解釋過的實體，因為它們的量既可以增加，也可以減少，而在任一封閉系統內的總量是守恆的。但電流體與熱、物質或能量之間也存在著一種本質差別。電的實體有兩種。這裡無法像以前那樣拿錢做類比，除非做出某種推廣。如果物體的正電流體與負電流體完全相互抵消，這個物體就是電中性的。一個人如果身無分文，要麼是因為他的確身無分文，要麼是因為他放在保險箱裡的錢的總數正好等於他負債的總數。我們可以把兩種電流體比作賬簿中的借項和貸項。 這個理論的第二條假設是，同類的兩種電流體相互排斥，異類的兩種電流體相互吸引。這可以用下圖來表示： 最後還要作一個理論假設：物體有兩類，電流體可以在其中自由運動的物體被稱為導體，不能在其中自由運動的物體則被稱為絕緣體。和往常一樣，不能把這種區分看得太認真，理想的導體和絕緣體都是一種永遠無法實現的虛構。金屬、大地、人體都是導體的例子，但導電性各不相同。玻璃、橡膠、瓷器等等都是絕緣體。空氣僅在部分程度上是絕緣體，這是見到上述實驗的人都知道的。靜電實驗若是結果不好，通常都會歸因於空氣濕度，因為濕度會增加空氣的導電性。 這些理論假設已經足以解釋上述三個實驗了。現在我們按照原先的順序再來討論一下這三個實驗，不過是藉助於電流體理論。 1.和其他任何物體一樣，橡膠棒在正常情況下是電中性的。它包含數量相等的正、負兩種電流體。用法蘭絨摩擦它，就把兩種電流體分開了。這純粹是一種習慣上的約定，因為它是用理論創造出來的術語來描述摩擦過程。摩擦之後橡膠棒多餘的電被稱為「負電」，這個名稱當然只是約定罷了。假如實驗是用毛皮摩擦玻璃棒，我們就不得不把多餘的電稱為「正電」，以和業已接受的約定相一致。接著，我們用橡膠棒觸碰金屬導體，把電流體傳送過去。電流體在導體中自由移動，分布於包括金箔在內的整個導體。由於負電與負電相互排斥，兩片金箔會儘可能地張開，就像我們觀察到的那樣。金屬要放在玻璃或其他絕緣體上，這樣，只要空氣的電導率允許，電流體就可以留在導體上。現在我們知道在實驗開始之前為何必須用手觸碰金屬棒了，因為這樣一來，金屬、人體和大地就構成了一個巨大的導體，電流體被大大稀釋，驗電器上幾乎已經沒有什麼電流體了。 2.第二個實驗開始時和第一個實驗完全一樣。但這次橡膠棒不再觸碰金屬棒，而只是靠近它。導體中的兩種電流體可以自由移動，所以被分開了，一種被吸引，另一種被排斥。若把橡膠棒移走，它們會重新混合起來，因為不同類的電流體會相互吸引。 3.現在把金屬棒分成兩節，然後移走橡膠棒。這時兩種電流體無法混合，金箔保留了多餘的那種電流體，所以仍然張開。 藉助於這個簡單的理論，上述所有事實似乎都變得可以理解了。它不僅能使我們理解這些現象，還能使我們理解「靜電學」領域的其他許多事實。每一個理論都旨在幫助我們理解新的事實，做新的實驗，從而發現新的現象和定律。舉一個例子就明白了。設想對第二個實驗做些調整。我拿橡膠棒靠近金屬棒，同時又用手指觸碰金屬棒，會有什麼情況發生呢？理論給出的回答是：受橡膠棒排斥的負（－）電流體現在可以經由我的身體逃逸，結果只有正（＋）電流體留在金屬棒中，只有靠近橡膠棒的那個驗電器的金箔仍然張開。實際做出的實驗證實了這個預言。 這個理論當然還很簡陋，而且從現代物理學的觀點來看是不恰當的，但它卻是一個很好的例子，表明了每一個物理理論的典型特徵。科學中沒有永恆的理論，理論預言的事實往往會被實驗推翻。每一個理論都有它逐漸發展和成功的時期，之後則可能迅速衰落。前面討論的熱質說的興衰便是一例，以後還會講到其他更為深刻和重要的例子。科學中幾乎每一項重大進展都是源於舊理論遇到了危機，最後通過努力找到了解決困難的方法。我們必須考察舊觀念和舊理論，雖然它們屬於過去，但只有考察它們，才能理解新觀念和新理論的重要性以及在何種程度上有效。 在本書開頭，我們曾把科學家比作偵探，先要搜集所需的事實，然後通過純粹的思考去尋找正確答案。必須認為，至少在一個關鍵點上，這種比較是很表面的。無論在生活中還是在偵探小說中，犯罪都是既定的事實。偵探必須尋找信件、指紋、子彈、槍支等，但他至少知道有一樁謀殺案。而科學家卻不然。不難想像有人對於電一無所知，因為古人都不了解電，卻生活得很快樂。假定把做那三個實驗所需的金屬棒、金箔、瓶子、硬橡膠棒、法蘭絨等都交給這樣一個人。他也許很有教養，但可能會用瓶子盛酒，用法蘭絨做抹布，而從不會想到拿它們去做上述實驗。對偵探而言，犯罪是既定的事實，問題是：究竟誰殺了人？而科學家不僅要進行偵察，至少在部分程度上還要親自犯罪。此外，他所要解釋的案件不止一個，所有已經發生或可能發生的現象他都要解釋。 在引入電流體概念時，我們看到了力學觀的影響，因為力學觀試圖用物質和在物質之間起作用的簡單力來解釋一切事物。要想知道能否用力學觀來描述電現象，必須考慮下面這個問題。假定有兩個帶電的小球，就是說都帶有某種多餘的電流體。我們知道，這兩個小球要麼相互吸引，要麼相互排斥。但是，力只與距離有關嗎？如果是，具體關係如何？最簡單的猜測似乎是，這種力與距離的關係就像萬有引力與距離的關係一樣，例如距離增加到3倍，力的強度就減小到原來的1/9。庫侖（Coulomb）所做的實驗表明這個定律的確有效。在牛頓發現萬有引力定律一百年之後，庫侖發現電力與距離也有類似的關係。但牛頓定律與庫侖定律有兩個重要差異：萬有引力總是存在，而電力只在物體帶電時才存在；萬有引力只是吸引，而電力則可以吸引或排斥。 這裡產生了我們前面聯繫熱現象討論過的一個問題。電流體作為實體是否有重量呢？換句話說，一塊金屬帶電時的重量和不帶電時的重量是否相同？我們用天平稱量的結果表明沒有差別，由此可以斷定，電流體也是一種無重量的實體。 電理論的進一步發展需要引入兩個新的概念。我們還是避免嚴格的定義，而是與我們熟悉的概念進行類比。我們還記得，區分熱和溫度對於理解熱現象是多麼重要。這裡區分電勢和電荷也同樣重要。為了弄清楚這兩個概念的區別，我們不妨作以下類比： 電勢－溫度 電荷－熱 兩個導體，例如兩個尺寸不等的球，可以有相同的電荷，也就是說，多餘的電流體相同，但兩者的電勢是不同的：小球的電勢較高，大球的電勢較低。小球上電流體的密度較大，也更受到壓縮。由於斥力必定隨密度而增加，所以小球上電荷的逃逸趨勢要比大球大。電荷逃離導體的這種趨勢就是電勢的直接量度。為了清楚地說明電荷與電勢的差別，我們可以把受熱物體的行為和帶電導體的行為作一比照： 熱 起初溫度不同的兩個物體，互相接觸一段時間之後達到相同的溫度。 等量的熱會在兩個熱容不同的物體中產生不同的溫度變化。 溫度計與物體相接觸，通過水銀柱的高度顯示出自己的溫度，因而也顯示出物體的溫度。 電 起初電勢不同的兩個絕緣導體，相互接觸之後很快達到相同的電勢。 等量的電荷會在兩個電容不同的物體中產生不同的電勢變化。 驗電器與導體相接觸，通過金箔的張開程度顯示出自己的電勢，因而也顯示出導體的電勢。 但這種類比不能推得太遠。下面這個例子在顯示其相似性的同時，也顯示了它們的差異。如果讓一個熱物體與一個冷物體相接觸，熱會從熱物體流向冷物體。另一方面，假定有兩個絕緣的導體，它們電荷相等，電性相反，即一個帶正電，另一個帶負電。兩者的電勢各不相同，我們習慣上認為，負電荷的電勢比正電荷的電勢低。現在把兩個導體合在一起或者用導線連接起來，那麼根據電流體理論，它們將顯示出不帶電荷，因此根本不會有電勢差。我們只能設想，在電勢差得到平衡的很短時間內，電荷從一個導體「流」向了另一個導體。但它是怎樣流的呢？是正的電流體流向帶負電的物體，還是負的電流體流向帶正電的物體呢？ 僅憑這裡給出的材料，我們無法判定兩者之中哪個是對的。我們可以假定這兩種可能性，甚至可以假定同時有雙向流動。我們知道無法用實驗來解決這個問題，它只涉及習慣上的約定，選擇本身並沒有什麼意義。後來發展出了一種深刻得多的電理論，能夠回答這個問題。用簡單而原始的電流體理論來表述這種理論是完全沒有意義的。這裡我們只是徑直採用以下表達方式：電流體從電勢較高的導體流向電勢較低的導體。於是，在上述兩個導體中，電從帶正電的導體流向帶負電的導體。這種表述完全是一種習慣，在這裡甚至是任意的。所有這些困難都表明，熱與電之間的類比絕非完備。 我們已經看到，可以用力學觀來描述靜電學的基本事實。同樣，也可以用力學觀來描述磁現象。 2.磁流體 這裡我們將和以前一樣，先談幾個非常簡單的事實，再去尋求理論解釋。 1.有兩根長磁棒，一根自由地懸浮在中央，另一根拿在手裡。把兩根磁棒的末端靠近，使兩者之間產生強烈的吸引。這總是能夠做到的。如果沒有產生吸引，就把磁棒掉過來，試試另一端。只要棒有磁性，就一定有現象發生。磁棒的兩端被稱為它的磁極。接下來，我們把手持磁棒的磁極沿著另一個磁棒移動，此時我們發現吸引力減小了。而當磁極到達那根懸浮磁棒的中央時，就顯示不出任何力了。如果繼續沿同一方向移動磁極，就會出現排斥力，到達懸浮磁棒的另一極時排斥力最大。 2.上述實驗又引出了另一個實驗。每根磁棒都有兩個磁極，我們難道不能分離出其中一極嗎？想法很簡單，只要把磁棒分成相等的兩段就可以了。我們已經看到，一根磁棒的磁極與另一根磁棒的中央之間是沒有力的。但實際把一根磁棒折成兩段，其結果卻是驚人和出乎意料的。如果按照上述實驗再做一次，不過這次是用懸浮磁棒的一半，那麼結果完全相同。本來無磁力可循的地方，現在成了很強的磁極。 如何解釋這些事實呢？由於磁現象和靜電現象一樣有吸引和排斥，我們可以仿照電流體理論來建立一種磁理論。假定有兩個球形導體，電荷相等，電性相反。這裡的「相等」是指有相同的絕對值，例如+5和-5就有相同的絕對值。假如用一種玻璃棒之類的絕緣體把這兩個球連接起來，這種安排可以用一個從帶負電導體指向帶正電導體的箭頭來表示。我們把整個東西稱為電偶極子。顯然，這樣兩個偶極子的行為將和第一個實驗中的兩根磁棒完全一樣。若把這項發明看成一根實際磁棒的模型，我們可以說，假定有磁流體存在，那麼磁棒不過就是一個磁偶極子罷了，它的兩端有兩種不同類的磁流體。這個模仿電理論建立起來的簡單理論足以解釋第一個實驗。一端應該是吸引，另一端是排斥，在中央則是兩種相等而相反的力互相抵消。那麼第二個實驗呢？把電偶極子的玻璃棒折斷，我們得到兩個孤立的極。折斷磁偶極子的鐵棒應該也是如此，但這與第二個實驗的結果相矛盾。這個矛盾迫使我們介紹一種更為複雜的理論。我們放棄之前的模型，想像磁棒由許多非常小的基本磁偶極子所組成，這些基本磁偶極子不再能折斷成獨立的極。有一種秩序在統治著整個磁棒，因為所有基本磁偶極子都有相同的指向。我們馬上就會知道，為什麼把一根磁棒折成兩段之後，新的兩端又會變成新的兩極，以及這個更精緻的理論為何既能解釋第二個實驗，又能解釋第一個實驗。 有許多事實用那個簡單的理論也能解釋，精緻的理論似乎是不必要的。舉例來說，我們知道磁棒會吸引鐵片。為什麼呢？因為在普通的鐵片中，兩種磁流體是混合在一起的，因此不會產生淨效應。把磁棒的正極靠近鐵，對磁流體起著「令其分開」的作用，吸引負的磁流體而排斥正的磁流體，結果導致鐵與磁棒相互吸引。移走磁棒之後，磁流體又或多或少恢復到原先的狀態，恢復多少要看它們在多大程度上「記住」了外力的命令。 我們無須詳述這個問題的定量方面。把兩根很長的磁棒相互靠近，我們可以研究其磁極的吸引或排斥。如果磁棒足夠長，棒的另一端的影響就可以忽略。引力或斥力與磁極之間的距離是什麼關係呢？庫侖實驗給出的回答是：這種關係與牛頓的萬有引力定律和庫侖的靜電學定律是一樣的。 我們再次看到，這個理論應用了一個一般觀點，即傾向於通過引力和斥力來描述一切現象，這些力只與距離有關，而且作用於不變的粒子之間。 這裡不妨提到一個眾所周知的事實，因為以後我們還會用到它。地球是一個巨大的磁偶極子。至於為何如此，我們無法解釋。北極大致是地球的負（-）磁極，南極則大致是地球的正（+）磁極。正負的名稱僅僅是習慣上的約定，然而一旦固定下來，我們就可以在任何其他情況下指定磁極。裝在豎直軸上的磁針將會服從地球磁力的命令。磁針的（+）極指向北極，也就是說指向地球的（-）磁極。 雖然在這裡介紹的電現象和磁現象的領域，我們可以前後一致地貫徹力學觀，但對此不必感到特別自豪或欣喜。這個理論的某些特徵即使不讓人灰心，也肯定不能令人滿意。我們不得不發明新的實體：兩種電流體和基本磁偶極子。不得不說，實體實在是太多了。 力是簡單的，引力、電力和磁力都可以用類似的方式來表達。但為了這種簡單性，我們也付出了高昂的代價，即引入了新的無重量實體。這些都是非常人為的概念，而且與質量這種基本實體沒有什麼關係。 3.第一個嚴重困難 現在可以指出應用我們的一般哲學觀所遇到的第一個嚴重困難了。後面我們還會看到，由於這個困難以及另一個更嚴重的困難，我們關於一切現象都可以作力學解釋的信念徹底破滅了。 自從發現電流，電學作為科學技術的一個分支才有了迅猛發展。這裡我們看到了科學史上一個極為罕見的例子，表明偶然事件似乎起了關鍵作用。蛙腿抽搐的故事有諸多不同版本，不管細節的真實性如何，無疑是伽伐尼（Galvani）的偶然發現使伏打（Volta）在18世紀末發明了所謂的伏打電池。這種電池早已沒有什麼實際用途，但學校的實驗和教科書一直把它作為一個很簡單的例子來說明電流的來源。 伏打電池的構造原理很簡單。拿幾個玻璃杯，裡面盛上水和一點硫酸。每一個玻璃杯的溶液中都浸有兩個金屬片，一為銅片，一為鋅片。將一個玻璃杯中的銅片與下一個玻璃杯中的鋅片連接起來，只有第一個杯中的鋅片和最後一個杯中的銅片沒有連接。如果組成電池的裝有金屬片的玻璃杯即「元件」的數目足夠多，我們用較為靈敏的驗電器就可以發現第一個杯中的銅片和最後一個杯中的鋅片之間有電勢差。 僅僅是為了用上述儀器獲得某種容易測量的東西，我們才介紹了由若干個裝有金屬片的玻璃杯組成的電池。而在後面的討論中，用一個裝有金屬片的玻璃杯就夠了。事實證明，銅的電勢比鋅更高。這裡是在+2比-2更大的意義上使用「更高」的。如果把一個導體連接到那個空著的銅片上，把另一個導體連接到那個空著的鋅片上，那麼兩者都會帶電，前者帶正電，後者帶負電。到這裡為止，還沒有什麼特別新或引人注目的現象出現，我們也許會嘗試運用以前關於電勢差的觀念。我們已經看到，如果用導線把兩個電勢不同的導體連起來，電勢差會迅速消失，因此有電流體從一個導體流向另一個導體。這個過程類似於熱流使溫度變得相等。但伏打電池的情況也是如此嗎？伏打在其實驗報告中寫道，金屬片的行為和導體一樣： ……微弱地帶電，它們不停地起作用，或者說在每一次放電之後，又會有新的電荷。總而言之，它提供了無窮無盡的電荷，或者說產生了持久的電流體作用或推動。 這個實驗的驚人結果是，與兩個帶電導體用導線連接起來的情況不同，銅片與鋅片之間的電勢差並沒有消失。既然電勢差仍然存在，根據電流體理論，它必定會使電流體從高電勢（銅片）持續流向低電勢（鋅片）。在試圖挽救電流體理論的過程中，我們可以假定有某個恆常的力使電勢差不斷再生，從而引起電流體的流動。但是從能量的觀點來看，整個現象令人驚訝。在電流通過的導線中產生了相當多的熱量，導線若是較細，甚至會被熔化。因此，導線中產生了熱能。但是由於外部沒有提供能量，整個伏打電池形成了一個孤立系統。如果不想放棄能量守恆定律，就必須查明能量轉變發生在何處，熱能是如何轉變出來的。不難理解，電池內部正在發生複雜的化學過程，溶液本身及浸在溶液中的銅片和鋅片都積極參與了這個過程。從能量的觀點來看，正在發生的轉變鏈條是這樣的：化學能→流動的電流體即電流的能量→熱。伏打電池並不能持久，與電流相關的化學變化很快就會使電池失去效用。 大約一百二十年前，奧斯特（Oersted）做了一個實驗，它實際揭示了應用力學觀的巨大困難。這個實驗初聽上去很奇怪。他報告說： 這些實驗似乎表明，藉助於一個伽伐尼裝置可以使磁針移動位置，但只有在伽伐尼電路閉合時才可以。幾年前，一些非常著名的物理學家曾經嘗試在電路斷開時使磁針移動位置，但沒有成功。 假定我們有一個伏打電池和一根導線。如果把導線連接在銅片上，而沒有連接在鋅片上，那麼會有電勢差，但不會有電流。把導線彎成一個圈，在其中央放一根磁針，導線和磁針處於同一平面。只要導線不接觸鋅片，就什麼也不會發生。沒有力在起作用，現存的電勢差對磁針的位置沒有任何影響。似乎很難理解為什麼奧斯特所說的那些「非常著名的物理學家」會期待有這種影響。 現在把導線連接在鋅片上，奇怪的事情立刻發生了。磁針偏離了原先的位置。如果書頁代表線圈所在的平面，那麼磁針的一極現在將指向讀者。這是一個垂直於線圈平面的力作用於磁極所產生的結果。在實驗事實面前，我們不可避免會得出這樣一個關於力的作用方向的結論。 這個實驗之所以有趣，首先是因為它顯示了磁性和電流這兩種表面上完全不同的現象之間的關係。還有一個方面甚至更為重要。磁極與電流流經的一小部分導線之間的力不是沿著導線與磁針的連線，也不是沿著電流粒子與基本磁偶極子的連線，而是垂直於這些線。按照力學觀的看法，我們希望把外在世界的一切作用都歸結為同一種力，而現在第一次出現了一種與之不同的力。我們還記得，服從牛頓定律和庫侖定律的引力、靜電力和磁力都是沿著兩個相互吸引或排斥的物體的連線起作用的。 大約六十年前，羅蘭（Rowland）做了一個精巧的實驗，更加揭示了這個困難。拋開技術細節不談，這個實驗可以描述如下。設想有一個帶電的小球，沿著圓形軌道迅速移動，圓心處有一根磁針。這個實驗原則上與奧斯特的實驗並無二致，唯一的區別在於，他沒有用普通電流，而是用了一種通過力學方式產生的電荷運動。羅蘭發現，實驗結果的確類似於電流通過線圈時觀察到的結果，一個垂直的力使磁針發生偏轉。 現在讓電荷運動得更快，作用於磁極的力因此而增大，磁針更加偏離原先的位置。這一結果引出了另一個嚴重的困難。不僅力不在磁針與電荷的連線上，力的強度還依賴於電荷的速度。整個力學觀都基於這樣一種信念，認為一切現象都可以通過只依賴於距離而不依賴於速度的力來解釋。羅蘭的實驗結果顯然動搖了這個信念。不過我們也許仍然願意選擇保守，在舊觀念的框架內尋求解答。 一種理論在順利發展時，突然遇到了出乎意料的障礙，這種困難在科學上屢見不鮮。有時把舊觀念加以簡單推廣似乎不失為一個好辦法，至少暫時是這樣。例如在目前的情況下，把之前的觀點拓寬，在基本粒子之間引入一些更一般的力似乎就夠了。但舊理論往往已經無法修補，困難最終會使之崩潰，新理論隨之興起。把基礎看似牢固並且大獲成功的力學理論推翻的不只是一根小磁針的行為。更有力的一擊來自完全不同的角度，但這是另一個故事，我們以後再談。 4. 光速 在伽利略的《兩門新科學》（Two New Sciences）中，有一段話是老師和學生們在討論光速： 薩格雷多（Sagredo）：我們應該認為這個光速屬於哪一類以及有多大呢？光的運動是瞬時的，還是像其他運動一樣需要時間呢？我們能用實驗來解決這個問題嗎？ 辛普里丘（Simplicio）：日常經驗表明，光的傳播是瞬時的，因為當我們看見遠處開炮時，閃光無需時間便傳到了我們的眼睛，而聲音卻要經過一段時間才能傳到耳朵。 薩格雷多：那麼，辛普里丘，由這點熟悉的經驗我只能推論出，傳到我們耳朵的聲音比光傳播得更慢；它並沒有告訴我光的傳播究竟是瞬時的，還是雖然傳播極快也總是需要時間…… 薩爾維亞蒂（Salviati）：諸如此類的觀察曾引導我設計出一種方法，由它可以準確地查明光的傳播究竟是否是瞬時的…… 薩爾維亞蒂進而解釋了他的實驗方法。為了理解他的想法，讓我們設想光速不僅有限，而且很小，光的運動就像在慢動作影片中一樣慢下來。甲乙二人各自拿一盞遮住的燈相距1英里站著。甲先打開他的燈。兩人事先約定，乙一看見甲的燈就立即打開自己的燈。假定在我們的「慢動作」中，光每秒鐘走1英里。甲移去燈上的遮蓋物，從而發出一個信號。乙在1秒鐘後看到它，並發出一個應答信號。甲在發出自己信號2秒鐘之後收到乙的信號。也就是說，假定光速為1英里每秒，那麼從甲發出信號到甲收到1英里以外乙的信號需要2秒鐘。反過來，如果甲不知道光速，但其同伴是遵守約定的，他注意到自己的燈打開2秒鐘之後乙的燈也打開了，他就可以斷定光速為1英里每秒。 憑藉當時的實驗技術，伽利略當然無法以這種方式測定光速。如果距離是1英里，他必須能夠檢測出10-5秒量級的時間間隔！ 伽利略提出了測定光速的問題，但沒有解決它。提出一個問題往往要比解決一個問題更重要，解決一個問題也許只是數學或實驗技巧上的事情而已。而提出新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要創造性的想像力，標誌著科學的真正進步。正是通過從新的角度原創性地思考業已熟知的實驗和現象，我們才得到了慣性原理和能量守恆定律。接下來，我們還會看到很多這樣的事例，我們會著重強調從新的角度看待已知事實的重要性，並且會描述一些新理論。 再回到相對簡單的光速測定問題。奇怪的是，伽利略沒有意識到他的實驗可以更為簡單準確地做出來。他不必請一位夥伴站在遠處，只要在那裡安一面鏡子就夠了，接收到光以後，鏡子會立刻自動把信號發送回來。 大約二百五十年後，斐索（Fizeau）才使用了這個原理，他第一次通過地面實驗測定了光速。在斐索之前，羅默（Roemer）已經通過天文學的觀測結果測定了光速，但不夠精確。 顯然，由於光速非常大，要想測量它，所取的距離必須堪比地球與太陽系中另一顆行星的距離，或者大大改進實驗技術。羅默採用了第一種方法，斐索則採用了第二種方法。在這些最早的實驗之後，這個非常重要的光速數值又被多次測定，而且越來越精確。在20世紀，邁克爾孫（Michelson）為此設計了一種非常精巧的儀器。這些實驗的結果可以徑直表達為：光在真空中的速度約為每秒186000英里或300000公里。 5. 光作為實體 我們再從幾個實驗事實開始講起。剛才引用的數值是光在真空中的速度。如果不受干擾，光會以這種速度穿過真空。抽出空玻璃容器中的空氣，我們仍然可以透過它看見東西。我們看到行星、恆星、星雲，但它們的光是經過真空傳到我們眼睛的。無論容器中是否有空氣，我們都能透過它看見東西，這個簡單的事實表明，空氣是否存在是無關緊要的。因此，我們在普通房間做光學實驗與在沒有空氣的地方做實驗會得到同樣的結果。 一個最簡單的光學事實是光沿直線傳播。有一個原始而簡單的實驗可以證明這一點。在點光源前面放置一個開有小孔的屏。點光源是一個非常小的光源，比如在遮住的燈籠上開一個小口。屏上的小孔在遠處的牆上將會呈現為黑暗背景上的光斑。下圖顯示了這個現象與光沿直線傳播的關係。所有這些現象，甚至是出現光、影和半影的那些更複雜的情況，都可以通過假設光在真空中或空氣中沿直線傳播來解釋。 再舉一個光穿過物質的例子。一束光穿過真空落在玻璃板上，會有什麼情況發生呢？如果直線傳播定律仍然有效，光束的路徑應如圖中虛線所示。但實際上並非如此。如圖所示，光束的路徑偏轉了，這種現象被稱為折射。把一根棍子的一半浸在水中，這根棍子看起來似乎在中間處折斷了，這個眾所周知的現象就是折射現象的一個例子。 這些事實已經足以指明應當如何設計一種關於光的簡單力學理論了。這裡我們旨在說明實體、粒子和力的觀念是如何進入光學領域的，以及這種舊的哲學觀點最終是如何崩潰的。 這裡提出的理論是其最簡單、最原始的形式。假定所有發光物體都會發射光的粒子或微粒，這些微粒落在我們眼睛裡便產生了光感。為了作出力學解釋，我們已經習慣於引入新的實體，因此現在可以毫不猶豫再引入一種。這些微粒必須以已知的速度沿直線穿過真空，並把信息從發光物體帶到我們的眼睛。所有展示光的直線傳播的現象都支持微粒說，因為給微粒指定的運動正是直線運動。這個理論還對光的鏡面反射作了非常簡單的解釋，認為這種反射就像彈性小球撞在牆上時發生的那種反射一樣，此力學實驗如下圖所示。 對摺射的解釋要更困難一些。如果不深入細節，我們可以看出作一種力學解釋的可能性。例如，假定微粒落在玻璃表面，玻璃中的物質粒子或許會對這些微粒施加一個力，不過奇怪的是，這種力只有在最鄰近的物質周圍才會起作用。我們知道，任何作用於運動粒子的力都會使粒子改變速度。如果作用於光微粒的淨力是垂直於玻璃表面的引力，那麼新的運動將會處於原先的路徑與垂線之間。這種簡單的解釋似乎可以保證光的微粒說取得成功，但要確定這個理論的用處和有效範圍，就必須研究新的更複雜的事實。 6.顏色之謎 同樣是天才的牛頓第一次解釋了世界上萬紫千紅的顏色。以下是牛頓對一個實驗的描述： 1666年初，我正在磨製一些非球面的光學玻璃。我做了一個三角形的玻璃稜鏡，以便試驗那些著名的顏色現象。為此，我把房間弄暗，在窗戶上做了一個小孔，讓適量的日光透進來。我把稜鏡放在光的入口處，使光能夠折射到對面的牆上。我第一次看到由此產生的鮮艷濃烈的顏色，真是備感愉悅。 太陽光是「白色」的。經過稜鏡之後，它便顯示出可見世界中存在的各種顏色。自然本身在彩虹的美麗顏色中再現了同樣的結果。很早就有人試圖解釋這種現象，《聖經》中說，彩虹是神與人立約的簽名，在某種意義上，這也是一種「理論」。但它無法令人滿意地解釋為何彩虹會反覆出現，而且總是同雨聯繫在一起。正是牛頓的偉大工作第一次從科學上處理了整個顏色之謎，並且給出了解答。 彩虹的一條邊總是紅的，另一條邊總是紫的，其間排列著所有其他顏色。牛頓對這種現象的解釋是：每一種顏色已經存在於白光中，所有顏色一致地穿過星際空間和大氣，呈現出白光的效果。可以說，白光是屬於不同顏色的不同種類微粒的混合。在牛頓的實驗中，稜鏡將它們從空間上分開了。根據力學理論，折射緣於玻璃粒子發出的力作用於光微粒。這些力對不同顏色光微粒的作用是不同的，對紫色光的微粒作用最大，對紅色光的微粒作用最小。因此，光離開稜鏡時，每一種顏色會沿著不同的路徑折射，從而相互分開。在彩虹的情況下，水滴起著稜鏡的作用。 現在，光的實體理論比以前更為複雜。光的實體不是一種，而是有很多種，每一種實體都屬於不同的顏色。但倘若這個理論不無道理，它的推論就必須與觀察相一致。 牛頓實驗所揭示的太陽白光中的顏色序列被稱為太陽光譜，或者更確切些說，是太陽的可見光譜。像上面那樣把白光分解成它的各個組分被稱為光的色散。如果這種解釋不錯，那麼用第二個校準的稜鏡可以把分開的譜色再次混合起來。這一過程應當正好與前一過程相反，從前已分開的顏色應當可以得到白光。牛頓用實驗表明，通過這種簡單的方式，的確可以無數次從白光的光譜獲得白光，或者從白光獲得光譜。這些實驗強烈支持一個理論：屬於每一種顏色的微粒，其行為都像不變的實體。牛頓寫道： ……那些顏色不是新產生的，而是在分開之後才顯現出來；因為如果重新把它們混合起來，它們又會組合成分開以前的那種顏色。同理，把各種顏色混合起來所發生的變化並不真實，因為如果把這些不同種類的射線再次分開，它們又會呈現出進入合成之前的那種顏色。我們知道，若把藍色和黃色的粉末細緻地混合起來，肉眼看起來會是綠色，但組分微粒的顏色並不因此而發生實際變化，而只是混合起來罷了。如果用一個良好的顯微鏡去觀察，它們仍會呈現為散布著的藍色和黃色。 假定我們已經從光譜中隔離出一個窄條，也就是說，在所有顏色當中，我們只讓一種顏色通過縫隙，其餘的都被屏擋住，那麼通過縫隙的光束將是單色光，亦即不能繼續分解為進一步組分的光。這是理論的一個推論，很容易用實驗來驗證。這樣一束單色光無論用何種方式都不能進一步分解。單色光的光源很容易獲得，比如熾熱的鈉就會發出單色的黃光。用單色光來做一些光學實驗往往很方便，因為這樣一來，實驗結果會簡單得多。 假定突然發生了一件怪事：太陽只射出某種特定顏色的單色光，比如黃光，那麼地球上的種種顏色將會立即消失，一切都是黃色或黑色的！該預言是光的實體理論的一個推論，因為新的顏色無法被創造出來。其有效性可以用實驗來驗證：在一個以熾熱的鈉為唯一光源的房間裡，一切都是黃色或黑色的。世界上萬紫千紅的顏色反映了組成白光的各種顏色。 在所有這些情況下，光的實體理論似乎都很管用。但它必須為每種顏色引入一種實體，這使我們感到有些不舒服。假定所有光微粒在真空中都有完全相同的速度也顯得很人為。 可以設想，有另一組假設、一種性質完全不同的理論也能同樣出色地給出一切所需的解釋。事實上，我們很快就會看到另一種理論的興起，它基於完全不同的概念，卻能解釋同樣的光學現象。不過在提出這個新理論的基本假設之前，必須回答一個與這些光學考慮毫無關係的問題。我們必須回到力學，追問： 7.波是什麼？ 倫敦的一個謠言很快就會傳到愛丁堡，儘管沒有一個傳播謠言的人來往於這兩座城市之間。這裡涉及兩種非常不同的運動，一種是謠言從倫敦到愛丁堡的運動，另一種則是謠言傳播者的運動。風經過麥田會泛起波浪，後者掠過整個麥田傳播出去。這裡我們必須再次區別波的運動和每顆麥穗的輕微擺動。眾所周知，把石頭丟入池塘會泛起波浪，這些波浪以越來越大的圓圈傳播開去。波的運動與水粒子的運動非常不同。粒子只是上下移動。我們觀察到的波的運動是物質狀態的運動，而不是物質本身的運動。我們從浮在波上的軟木塞可以清楚看到這一點，因為軟木塞不是被波帶著走，而是在仿照水的實際運動上下移動。 為了更好地理解波的機制，我們再考察一個理想實驗。假定一個很大的空間中非常均勻地充滿著水、空氣或其他某種「介質」。中心某處有一個球體，實驗之初沒有任何運動。突然，球體開始有節奏地「呼吸」起來，體積一脹一縮，但保持球形不變。那麼介質中會發生什麼呢？我們從球體開始膨脹那一刻開始考察。球體周圍最近的介質粒子被外推，致使那一球層水或空氣的密度超過其正常值。同樣，當球體收縮時，球體周圍最近的那部分介質的密度將會減小。這些密度變化會傳遍整個介質。構成介質的粒子只作微小的振動，但整個運動卻是一個向前行進的波的運動。這裡的全新之處在於，我們第一次考察了這樣一種東西的運動，這種東西不是物質，而是藉助於物質來傳播的能量。 利用這個振動球體的例子，我們可以引入兩個對描述波至關重要的一般物理概念。第一個概念是波的傳播速度。它與介質有關，比如水波的傳播速度就不同於空氣波的傳播速度。第二個概念是波長。海波或河波的波長是從一個波的波谷到下一個波的波谷的距離，或者從一個波的波峰到下一個波的波峰的距離。於是，海波的波長大於河波的波長。而就振動球體所引起的波而言，波長是在某個特定時間顯示出最大或最小密度的兩個相鄰球殼之間的距離。顯然，這個距離不單與介質有關。球體的振動速度肯定有很大影響，振動越快波長越短，振動越慢則波長越長。 事實證明，這個波的概念在物理學中非常成功。它肯定是一個力學概念。波的現象可以歸結為粒子的運動，而根據運動論，粒子是物質的組分。因此一般來說，任何使用波的概念的理論都可以被視為力學理論。例如，對聲學現象的解釋本質上便是基於這個概念。聲帶和琴弦等振動物體都是聲波的波源，我們可以像前面解釋振動球體一樣解釋聲波在空氣中的傳播。因此，藉助波的概念可以把所有聲學現象都歸結為力學。 我們已經強調，必須區分粒子的運動和波本身的運動，波只是介質的一種狀態。這兩種運動非常不同，但是在振動球體的例子中，這兩種運動顯然都沿著同一直線。介質粒子沿著很短的線段振動，密度則隨著這種運動周期性地增減。波的傳播方向與振動方向是相同的，這種類型的波被稱為縱波。但波只有這一種嗎？非也。還有一種波被稱為橫波。 讓我們對前面的例子做些改動。我們把那個球體浸在一種膠狀的介質中，而不是浸在空氣或水中。此外，球體不再振動，而是先朝一個方向轉一個小角度，再朝相反的方向轉回來，且始終按照同一節奏圍繞確定的軸轉動。膠狀物粘附在球體上，粘附的部分被迫模仿球體運動。這些部分又迫使更遠一點的部分模仿同一運動，如此下去，便在介質中產生了波。如果我們還記得介質運動與波的運動之間的區分，就會發現它們在這裡並非處於同一直線。波是沿著球體半徑的方向傳播的，而各部分介質的運動則垂直於這個方向，這樣便形成了橫波。 在水面上傳播的波是橫波。浮在水上的軟木塞上下跳動，波卻沿著水平面傳播。另一方面，聲波則是我們最熟悉的縱波的例子。 此外，在均勻介質中，振動球體所產生的波是球面波。之所以這樣稱呼它，是因為在任一特定時刻，圍繞波源的任何球面上的各點都以同樣的方式行為。讓我們考察距離波源很遠的這樣一個球面的一部分。這個部分離得越遠並且取得越小，它就越像一個平面。如果無需太嚴格，可以說平面的一部分和半徑足夠大的球體的一部分並無實質差別。我們常常把距離波源很遠的球面波的一小部分稱為平面波。圖中陰影部分距離球心越遠，兩個半徑的夾角取得越小，就越能體現平面波的特點。和其他許多物理概念一樣，平面波的概念也僅僅是一種虛構，只有一定程度的準確性。但這個概念很有用，我們以後還會用到。 8.光的波動說 讓我們回憶一下前面中斷描述光學現象的原因。我們的目的是要介紹另一種光學理論，該理論不同於微粒說，但也試圖解釋同一事實領域。為此，我們不得不中斷敘事而介紹波的概念。現在我們可以言歸正傳了。 與牛頓同時代的惠更斯（Huygens）提出了一種全新的理論。他在光學論著中寫道： 此外，如果我們現在所要考察的光的行進需要時間，那麼這種在介質中傳播的運動就是相繼的；因此，它和聲音一樣是以球面和波的形式來傳播的。我之所以稱它為波，是因為它與石頭丟在水裡所激起的波類似，這些波也是以一個個圓圈相繼傳播出去的。不過產生這些圓圈是出於另一個原因，而且只在平面上進行。 按照惠更斯的說法，光是一種波，它是能量的遷移而不是實體的遷移。我們已經看到，微粒說解釋了許多觀察到的事實，光的波動說也能做到這一點嗎？我們必須把微粒說已經回答過的問題再問一遍，看看波動說是否也能回答得這麼好。這裡我們將採用對話的形式，一方是牛頓微粒說的信徒，簡稱「牛」；另一方則是惠更斯學說的信徒，簡稱「惠」。事先規定，兩人都不許利用這兩位老師死後發展出來的論證。 牛：在微粒說中，光速有非常明確的意義，那就是微粒穿過真空的速度。在波動說中它是什麼意義呢？ 惠：它當然意指光波的速度。人人都知道，波是以某個確定的速度傳播的，光波也不例外。 牛：這並不像看起來那麼簡單。聲波在空氣中傳播，海波在水中傳播，每一種波都必須有一種物質性的介質才能在其中傳播。但光能穿過真空，聲音卻不能。假設真空中的波其實等於根本沒有假設波。 惠：是的，這是一個困難，不過對我來說並非新的困難。我的老師非常認真地想過這個問題，認為唯一的出路就是假定存在著一種假想的實體——以太，這是一種充斥於整個宇宙的透明介質。可以說，整個宇宙都浸在以太之中。一旦我們有勇氣引入這個概念，其他一切就變得清楚而有說服力了。 牛：但我反對這樣一個假設。首先，它引入了一種新的假想的實體，而物理學中的實體已經太多了。反對它還有另一個理由。你無疑認為我們必須用力學來解釋一切，但以太怎麼解釋呢？有一個簡單的問題你能回答嗎：以太是如何由基本粒子構成的，它如何在其他現象中顯示自己？ 惠：你的第一個反駁當然有道理，但通過引入有些人為的無重量以太，我們立即可以消除那些更加人為的光微粒。我們只有一種「神秘」實體，而不是有無數種實體對應於光譜中極多的顏色。你不覺得這是一種實實在在的進步嗎？至少，所有困難都集中在一點上。我們不再需要人為地假設屬於不同顏色的粒子都以相同的速度穿過真空。你的第二個反駁也是對的，我們無法對以太作出力學解釋，但進一步研究光學現象以及其他現象無疑會揭示出以太的結構。目前我們只能等待新的實驗和結論，但我希望我們最終能夠解決以太的力學結構問題。 牛：我們先暫時離開這個問題，因為現在無法解決它。即使不考慮那些困難，我也想知道你的理論如何解釋那些在微粒說看來非常明白而且容易理解的現象，比如光在真空或空氣中沿直線行進。把一張紙放在蠟燭前面，會在牆上產生分明的、輪廓清晰的影子。倘若光的波動說是正確的，那麼絕不可能有清晰的影子，因為波會繞過紙的邊緣，使影子變得模糊。你知道，海洋中的小船並不能阻擋波，波會徑直繞過它而不投下影子。 惠：這個論證並不能讓人信服。比如河流中的小波拍擊大船側面，船的一側產生的波在另一側就看不到。如果波足夠小而船足夠大，就會出現一個非常清晰的影子。我們之所以覺得光是沿直線行進的，很可能是因為它的波長遠小於普通障礙物以及實驗中孔隙的尺寸。如能製作出一個足夠小的障礙物，可能就不會出現影子。要製作儀器來表明光能否彎曲，我們可能會碰到很大的實驗困難。但如果能設計出這樣一個實驗，就能對光的波動說和微粒說做一個判決性的結論了。 牛：波動說在未來也許會引出新的事實，但我不知道有什麼實驗材料能夠令人信服地驗證它。除非能用實驗明確證明光可以彎曲，我看不出有任何理由不相信微粒說。在我看來，微粒說比波動說更簡單，因此也更好。 這裡對話可以告一段落了，儘管這個話題還沒有論述詳盡。 我們仍需說明波動說如何解釋光的折射和各種顏色。我們知道，微粒說能夠做到這一點。我們先從折射開始談起，但不妨先考察一個與光學無關的例子。 假設有兩個人拿著一根堅硬的棍子在一片空曠的場地上走路，兩人各執棍子一端。起初他們以相同的速度直著往前走。只要兩人速度一樣，那麼無論速度大小如何，棍子都會作平行的位移，亦即不會改變方向。隨後棍子的所有位置都是相互平行的。現在我們設想，在極短的時間之內，也許只有幾分之一秒，兩人的走路速度不同了，那麼會發生什麼情況呢？顯然，這一瞬間棍子會改變方向，因此不再平行於原先的位置。等到恢復為相等的速度時，棍子的方向已經不同於原來。下圖清楚地表明了這一點。方向變化發生在兩位行路者速度不同的瞬間。 這個例子使我們能夠理解波的折射。一列在以太中穿行的平面波碰到一個玻璃盤。在下圖中，我們看到一列具有較大波前的波正在行進。波前是一個平面，該平面上以太的各個部分在任何時刻都以相同的方式行為。由於光速依賴於光所通過的介質，因此光在玻璃中的速度不同於光在真空中的速度。在波前進入玻璃的極短時間內，波前的各個部分將有不同的速度。顯然，已經到達玻璃的那部分將以光在玻璃中的速度行進，其他部分則仍以光在以太中的速度行進。由於「浸」入玻璃期間波前的各個部分有不同的速度，波本身的方向就發生了變化。 由此可見，微粒說和波動說都可以解釋折射。如果再加上一點數學，我們進一步考察就會發現，波動說的解釋更簡單、更好，而且推論與觀察結果完全相符。事實上，如果知道光束進入介質時是如何折射的，我們憑藉定量的推理方法就可以推出折射介質中的光速。直接測量出色地證實了這些預言，從而也證實了光的波動說。 還有一個顏色問題沒有解決。 我們還記得，波由速度和波長這兩個數值來刻畫。光的波動說的主要假設是：不同的波長對應於不同的顏色。黃光的波長不同於藍色光或紫色光的波長。現在我們有了波長的自然差異，而不必把屬於不同顏色的微粒人為地區分開來。 於是，我們可以用微粒說和波動說這兩種不同的語言來描述牛頓關於光的色散實驗。例如： 微粒語言 屬於不同顏色的微粒在真空中速度相同，在玻璃中速度不同。 波的語言 屬於不同顏色的波長不同的光線在以太中速度相同，在玻璃中速度不同。 白光是由屬於不同顏色的微粒組合而成的，而在光譜中這些微粒被分開了。 白光是由各種波長的波組合而成的，而在光譜中這些波被分開了。 對於同一種現象，存在著兩種截然不同的理論。為了避免由此產生的混亂，不妨把兩者的優缺點作一番認真思考，然後決定支持哪一種。「牛」與」惠」的對話表明，這絕非易事。此時作出的決定與其說是科學的確證，不如說是品味問題。在牛頓時代以及此後的一個多世紀裡，物理學家大都支持微粒說。 直到19世紀中葉，歷史才作出了自己的裁決——支持光的波動說，反對光的微粒說。在與「惠」的對話中，「牛」說原則上可以用實驗來裁決這兩種理論。微粒說不允許光彎曲，要求存在清晰的影子。而根據波動說，足夠小的障礙物不會投下影子。楊（Young）和菲涅耳（Fresnel）用實驗實現了這個結果，並給出了理論結論。 我們已經討論過一個極為簡單的實驗：將一個有孔的屏放在點光源前面，牆上就會出現影子。我們對這個實驗再作些簡化，假定光源發射的是單色光。為了得到最好的結果，應當使用強光源，並把屏上的孔做得越來越小。如果使用強光源，並把孔做得足夠小，就會出現一種新奇的現象——從微粒說的觀點來看，這種現象很令人費解——明與暗之間不再有截然的區分，光漸漸消失於黑暗的背景中，成為一系列亮環和暗環。環的出現正是波動說的典型特徵。要想清楚地解釋亮環與暗環的交替出現，需要一種略為不同的實驗安排。假定有一張黑紙，紙上有兩個針孔，光可以從中透過。如果兩孔非常接近又非常小，而且單色光源足夠強，那麼牆上會出現許多亮帶和暗帶，它們在邊上漸漸消失於黑暗的背景中。解釋很簡單：從一個針孔發出的波的波谷與從另一個針孔發出的波的波峰相遇之處就會出現暗帶，因為兩者是相互抵消的。而從不同針孔發出的波的兩谷或兩峰相遇之處就會出現亮帶，因為兩者是相互加強的。在前面的例子中，我們使用的屏只有一個孔，這裡對暗環與亮環的解釋要更為複雜，但原理是一樣的。我們要牢記，通過兩個孔會出現亮帶和暗帶，通過一個孔會出現亮環和暗環，以後我們還會討論這兩種不同的圖像。這個實驗顯示了光的衍射，即把小孔或小障礙物置於光波的行進路線上時光的直線傳播發生的偏離。 藉助於一點數學我們還可以走得更遠。我們可以計算出波長要多大或者不如說要多小，才能產生某種衍射圖樣。於是，這裡描述的實驗能使我們測量出單色光源的波長。要想知道這個數有多麼小，可以看看太陽光譜兩極的波長，即紅光和紫光的波長： 紅光的波長是0.00008厘米。 紫光的波長是0.00004厘米。 我們不必驚異於這些數值是如此之小。我們之所以能在自然之中觀察到清晰的影子，也就是光的直進現象，僅僅是因為與光的波長相比，我們通常遇到的所有孔隙和障礙物都極為巨大。只有用非常小的障礙物和孔隙才能顯示出光的波動性。 然而，對光的理論的尋求還遠遠沒有結束。19世紀的裁決並非最終裁決。對於現代物理學家來說，如何在微粒與波之間作出判斷，這個問題依然存在，只不過現在使用的方法要深刻和複雜得多。在沒有認識到波動說勝利的可疑性之前，我們先承認微粒說失敗了。 9.光波是縱波還是橫波？ 我們前面考察過的所有光學現象都支持波動說。光會繞過小的障礙物以及對摺射的解釋都是支持波動說的強有力證據。以力學觀為指導，我們意識到還有一個問題需要回答，那就是如何確定以太的力學性質。要想解決這個問題，必須知道以太中的光波是縱波還是橫波。換句話說，光是像聲音一樣傳播嗎？光波是因介質密度的變化而起，因此粒子沿著傳播方向振動嗎？還是說，以太類似於一種彈性的膠狀物，因此只能產生橫波，以太粒子的運動方向與波本身的傳播方向垂直？ 在解決這個問題之前，我們試著判斷一下哪個答案更可取。顯然，如果光波是縱波，那就太好了，因為這樣一來，設計一種力學以太要簡單得多。我們的以太圖景大概很像解釋聲波傳播的氣體的力學圖景。設想以太傳播橫波就困難多了。要把一種膠狀物想像成由粒子組成的傳播橫波的介質，這絕非易事。惠更斯相信，以太是「氣狀的」而不是「膠狀的」。但大自然很少理會我們給它的限制。在這件事情上，大自然會慷慨地允許物理學家從力學觀點來理解所有事件嗎？為了回答這個問題，我們必須討論幾個新實驗。 我們只詳細討論許多實驗中的一個，這個實驗能給我們一個答案。假定我們用一種特殊方法切出電氣石晶體的薄片。晶體片必須很薄，這樣我們才能透過它看到光源。現在，取兩個這樣的薄片放在我們的眼睛與光源之間，我們會期望看到什麼呢？倘若薄片足夠薄，我們會再次看到一個光點。實驗很可能會證實我們的期望。假定我們不必擔心這個結果是偶然造成的，而的確是透過兩個晶體片看到光點的。現在我們慢慢轉動其中一個晶體片以改變它的位置。轉動所圍繞的軸必須固定不變，上面這句話才有意義。我們將以入射光所確定的線為軸，也就是說除了軸上各點，我們移動了一個晶體片上所有點的位置。奇怪的事情發生了！光越來越弱，最後完全消失。隨著轉動的繼續，它將重新出現，達到初始位置時，我們又重新看到了最初的景象。 我們不必詳述諸如此類的實驗就可以提出以下問題：如果光波是縱波，這些現象能夠得到解釋嗎？倘若是縱波，以太粒子會像光束那樣沿軸運動。如果晶體轉動，則沿軸沒有任何東西發生變化。軸上各點並不運動，只有很小的位移在附近發生。對於縱波來說，像光的消失和出現那樣的明顯變化是絕不可能發生的。只有假定光波不是縱波而是橫波，才能解釋諸如此類的現象！或者換句話說，我們必須假定以太是「膠狀」的。 這真讓人遺憾！要想用力學方式描述以太，就必須準備面對極大的困難。 10.以太和力學觀 為了理解以太作為光傳播介質的力學性質，物理學家們做過各種努力。所有這些努力可以寫成一個很長的故事。我們知道，力學構造意味著實體由粒子和力所組成，力沿著粒子的連線起作用，而且只依賴於距離。為把以太構造成一種膠狀的力學實體，物理學家不得不作出一些人為的、不自然的假設。這裡我們不去引用這些假設，它們早已過時，幾乎已經被人遺忘，但結果卻重要而有意義。這些假設是那樣人為，而且還要引入那麼多，彼此之間又毫無關聯，所有這些都足以動搖我們對力學觀的信念。 對於以太，除了構造所面臨的困難，還有其他更簡單的反駁。要想用力學方法來解釋光學現象，就必須假定以太無處不在。倘若光只能在介質中行進，就不能有空的空間。 但我們從力學中知道，星際空間並不阻礙物體的運動。例如，雖然物質性的介質會阻礙物體的運動，但行星在以太膠狀物中運行卻沒有碰到任何阻礙。如果以太不對物質的運動造成干擾，那麼以太粒子與物質粒子之間就不會有任何相互作用。光既穿過以太，也穿過玻璃和水，但是在後面兩種物質中，光速卻改變了。這一事實如何能用力學方法來解釋呢？我們似乎只能假定，以太粒子與物質粒子之間存在著某種相互作用。我們已經看到，對自由運動的物體而言，必須假定這種相互作用不存在。換句話說，在光學現象中以太與物質之間有相互作用，而在力學現象中卻沒有！這個結論顯然非常悖謬。 擺脫所有這些困難似乎只有一條出路。在20世紀以前的整個科學發展過程中，為了嘗試從力學觀去理解自然現象，必須人為地引入電流體、磁流體、光微粒和以太等一些實體。結果只是把所有困難都集中在幾個關鍵點上，比如光學現象中的以太。以某種簡單的方式來構造以太的所有嘗試都沒有成功，再加上其他反對意見，所有這些似乎都在暗示，錯誤在於一條基本假設，即可以從一種力學觀來解釋所有自然現象。科學並沒有令人信服地貫徹力學綱領，今天已經沒有物理學家相信它有可能實現了。 在上述對主要物理觀念所作的簡短回顧中，我們遇到了一些尚未解決的問題以及若干困難和阻礙，使我們不敢嘗試用一種統一的、前後一致的觀點來解釋外部世界的一切現象。經典力學中存在著引力質量與慣性質量相等這條未被注意的線索。電流體和磁流體的引入都是人為的。電流與磁針的相互作用也是一個尚未解決的困難。我們還記得，這種力不在導線與磁極的連線上起作用，而且依賴於運動電荷的速度。描述它的方向與大小的定律極為複雜。最後還有以太所導致的巨大困難。 現代物理學已經處理和解決了所有這些問題，但是在解決這些問題的過程中又產生了新的更深刻的問題。如今，我們的知識要比19世紀的物理學家更為深廣，但我們的疑惑與困難也是如此。 總結： 無論是舊的電流體理論，還是光的微粒說和波動說，都是應用力學觀的進一步嘗試。但在電學現象和光學現象的領域中，這種應用遇到了極大的困難。 運動電荷對磁針的作用力不僅依賴於距離，而且依賴於電荷的速度。這種力對磁針既不排斥也不吸引，而是垂直於磁針與電荷的連線起作用。 在光學中，我們不得不支持光的波動說，反對光的微粒說。波在由粒子組成的介質中傳播，並且有機械力作用於二者之間，這顯然是一種力學觀念。但傳播光的介質到底是什麼呢？它的力學性質又是怎樣的？在這個問題得到解決之前，要把光學現象歸結為力學現象是沒有希望的。但解決這個問題遇到了極大的困難，我們不得不將其放棄，因而也不得不放棄力學觀。