從惠更斯到愛因斯坦

方在慶　黃佳

引子

聯(lián)合國教科文衛(wèi)組織（UNESCO）將2015年定為“國際光年”（International Year of Light），將一系列與光有關的重大歷史事件進行關聯(lián)，其目的是增加人們對光科學及其應用成就的了解，為人類在能源、教育、農(nóng)業(yè)、通信和健康等領域所面臨的挑戰(zhàn)提供解決方案。

1000年前（1015年），出生于今伊拉克巴士拉城（Basra）的阿拉伯物理學家伊本·海賽木（Ibn AlHaytham，約965-約1040）發(fā)表了《光學之書》（Kitabal-Manazir），不僅系統(tǒng)闡述了失傳已久的古希臘光學知識，而且加上了他在透鏡的放大效應、大氣折射方面的見解，為文藝復興和科學革命做了知識儲備。200年前（1815年），法國外省工程師、物理學家菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel，1788-1827）吸收了光波動學說創(chuàng)始人惠更斯（Christiaan Huygens，1629-1695）的次波概念，復興并完善了光的波動學說。150年前（1865年），英國物理學家麥克斯韋（James ClerkMaxwell，1831-1879）預言了電磁波，認為光就是電磁波。100年前（1915年），愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）創(chuàng)立了廣義相對論，指出光線受到引力場的作用會發(fā)生彎曲。在此之前的1905年，他用光量子概念成功地解釋了光電效應。50年前（1965年），彭齊亞斯（Amo Penzias，1933-）和威爾遜（RobertWilson，1936-）預測了宇宙微波背景輻射，同年高錕（Charles K.Kao，1933-）在光導纖維通訊領域取得了革命性的突破。

幾千年來，人類一直在尋找光的本質。光究竟是什么，它是如何產(chǎn)生的，它的構成如何？這些問題一直困擾著人們。從神的隱喻到科學分析，經(jīng)歷了漫長曲折的過程。古希臘哲學家就在思考“光的直進、折射和反射”等問題。恩培多克勒（Empedocles，約公元前490年-前430年）就是其中的典型代表。我國古代《墨經(jīng)》中也有不少關于光學現(xiàn)象的論述。而真正對光的本質進行科學探討，是從1600年左右開始的。法國哲學家笛卡兒（Ren6 Descartes，1596-1650）系統(tǒng)地闡述了關于光的本性的觀點。之后，惠更斯、牛頓（Isaac Newton，1643-1727）、托馬斯·楊（Thomas Young，1773-1829）、菲涅耳、麥克斯韋和愛因斯坦等眾多科學家前赴后繼，做出了卓越貢獻。光學從幾何光學、物理光學發(fā)展到量子光學的過程中，也極大地推動了物理學其他領域的發(fā)展?！霸谡麄€物理學發(fā)展中。還沒有任何一個課題，能像對光的本性的研究那樣，意義巨大，影響深遠，……為物理學開拓出這樣多的新境界?！?/p>

歷史上，以牛頓、拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace，1749-1827）、畢奧（Jean-Baptiste Biot，1774-1862）等為代表的光的微粒派，和以惠更斯、托馬斯·楊、菲涅耳等為代表的波動派之間展開了多個回合的論爭。兩大陣營大將輩出，互有勝負，各領風騷上百年。這段歷史也是史家之最愛，為了強調沖突的戲劇效果，往往將雙方的對峙說成是陣線分明，你死我活。這與史實相差甚遠。本文從波瀾壯闊的歷史中選擇了三個典型階段，試圖通過展示其中被忽視的部分，還原真實曲折的研究過程，彰顯科學研究成果得到承認之不易。

微粒說與波動說之爭

笛卡兒首先提出了關于光的本性的兩種假說：光是類似于微粒的一種物質；光是一種以“以太，，為媒質的壓力。“光在本質上是一種壓力，在一種完全彈性的、充滿一切空間的媒質（以太）中傳遞”。

無論惠更斯，還是牛頓，都是從笛卡兒的學說出發(fā)，在吸收并最終拋棄笛卡兒的思想基礎上形成兩大對立的流派——微粒說（emission theory.or corpuscular theory）和波動說（undulatory theory，or wave theory）。

微粒說是原子論（atomism）的一個變種。17世紀初，一直占據(jù)統(tǒng)治地位的亞里士多德哲學已經(jīng)千瘡百孔，自然哲學家們試圖尋求一種新的學說來代替它。1610-1650年，一種源于伊壁鳩魯學派（Epicureanism）及其原子論的機械哲學（mechanical philosophy）流行起來。按照機械哲學，宇宙就是某種類型的機械裝置，宇宙中的一切，包括一個人的身體、精神和心靈都由眾多運動著的非常小的顆粒構成。

光的微粒說類似于原子論，但兩者又有所不同。在原子論中，原子本身是不可分的，而在微粒說中，微粒原則上是可分的。微粒是單一的，無限小的，具有形狀、大小、顏色和其他物理性質。光就是由這些微小的離散顆粒組成，以光速并帶有沖力沿著直線行進。按照這種設想，光的直線傳播、反射、折射、鏡面成像、透鏡成像等光學現(xiàn)象都不難解釋。

惠更斯在1690年出版的《光論》（Traitd de In lumidre，1690）一書中，主張“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ摹薄０凑找运置幕莞乖?，介質中任一波陣面上的各點，都是發(fā)射子波的新波源，在其后的任意時刻，這些子波的包絡面就是新的波陣面。他由此解釋了反射、折射以及冰洲石的奇異折射現(xiàn)象。由于光可以在真空中傳播，因此惠更斯提出，荷載光波的媒介物質（“以太”）應該充滿包括真空在內(nèi)的全部空間。

牛頓早在1664年就開始光學研究。1666年。他用三棱鏡進行了著名的色散試驗，發(fā)現(xiàn)白光是由各種不同顏色的光組成的。1668年，牛頓制成了第一架反射望遠鏡樣機。1671年，牛頓把經(jīng)過改進的反射望遠鏡獻給了英國皇家學會。1672年，牛頓發(fā)表了《關于光和顏色的理論》一文，并到皇家學會闡述自己的觀點。認為白光經(jīng)過棱鏡產(chǎn)生色散，分成七色光，這是因為不同顏色微粒的混合與分開造成的。牛頓的主張遭到贊成光波動說的胡克（Robert Hooke，1635-1703）的尖銳批評。牛頓特別生氣，稱胡克完全沒有理解自己這一劃時代發(fā)現(xiàn)的意義。胡克時任皇家學會的“實驗秘書”（Curator of Experiments），脾氣很大，兩人的關系鬧得很僵。牛頓的光學研究停頓了一段時間，不再公開發(fā)表這方面的論文，他將已完成的著作《光學》延遲到胡克過世后才出版。

牛頓認為波動說不能簡潔明了地解釋光的直線傳播，不能說明光在晶體中傳播時所顯示出光的傳播的不對稱性。其次，光傳播的“以太”介質假說讓人難以置信。其實，這里涉及科學理論的解釋力問題。反射、折射等現(xiàn)象屬于幾何光學范疇，用微粒說來解釋比較直觀，易于理解與接受，用波動說也能解釋，只不過沒有微粒說的解釋那樣直觀。但對于像“牛頓環(huán)”這樣的現(xiàn)象，用波動說解釋就順理成章，而用微粒說來解釋就有點牽強。

在惠更斯和牛頓的論爭中，雙方都只抓對方的弱項，用實驗觀察的結果來判定對方理論是否正確?；莞怪赋?，如果光是微粒性的，那么來自不同光源的光線在交叉時就會因發(fā)生碰撞而改變方向，但當時并沒有發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。而在牛頓看來，如果光是一種波，它應當同聲波一樣可以繞過障礙物，而不會產(chǎn)生影子。可在實驗中，光線繞過障礙物的現(xiàn)象并沒有出現(xiàn)。

1703年，胡克去世，同年，牛頓被選為皇家學會會長。此時的牛頓已儼然成為歐洲科學界的教皇。沒有了惠更斯和胡克，波動學說陣營已無力應戰(zhàn)。牛頓派的微粒說占了上風，統(tǒng)治光學界一個世紀之久。

其實牛頓與惠更斯之間的關系，絕不是水火不容的敵我關系?；莞古c牛頓之間在學術中互有交往，牛頓從惠更斯的著作中得到不少啟示，稱其為“德高望重的惠更斯”，“當代最偉大的幾何學家”?；莞乖?0歲時，為了拜訪牛頓和其他幾位科學家，他帶病從荷蘭前往英國。

盡管牛頓不喜歡別人不同意他的觀點，但在學術問題上他還是保持了學者應有的謙遜。他曾反復設計一些光學實驗，詳細記錄了不同薄膜所呈現(xiàn)的各不相同的“牛頓環(huán)”?！霸谖谊P于光的粒子結構理論中，我做出的結論是正確的，但是，我作這結論并沒有絕對肯定。只能用一個詞來表示：可能?！被莞垢侨绱恕Ｋ?690年出版的《光論》的序言中寫道：“還有許多有關光的本性問題有待探究，我沒有妄稱已經(jīng)揭示出光的本性，而我將非常感謝那些能彌補我在知識上的不足的人?！标?/p>

有學者認為牛頓并非純粹的微粒說者，而是微粒說與波動說的某種“古怪混合”，甚至與“波粒二象性”有很大的相似性?？紤]到“波粒二象性”是一個全新的概念，絕非波動說與微粒說的簡單組合或綜合，這種說法是不合乎歷史的，過于抬高牛頓了。

菲涅耳令波動說勝出

在1816至1819年間，幾個著名的微粒說者已經(jīng)意識到了干涉理論（theory of interference）可以解釋微粒說無法解釋的現(xiàn)象。他們面臨著抉擇，要么選擇干涉理論，要么固執(zhí)己見。最初的反應是僅將干涉理論作為一個唯象理論。

托馬斯·楊的出現(xiàn)，讓微粒說的一統(tǒng)地位開始出現(xiàn)動搖。牛頓之后的英國，微粒說占據(jù)主流。法國也是如此。其中的大將，是在當時被稱為“法國牛頓”的拉普拉斯。拉普拉斯在政治上見風使舵，以政治投機聞名，曾毛遂自薦當過拿破侖的內(nèi)政部長六個月。盡管微粒派極力捍衛(wèi)，但在解釋干涉、衍射等光學現(xiàn)象時卻捉襟見肘，相反，用波動理論解釋則簡潔許多。菲涅耳優(yōu)美的數(shù)學表述，從內(nèi)部分化了微粒說的陣營；一些原先反對波動說的學者開始“改宗”或“倒戈”。就連一些最堅定的成員也開始動搖，在事實面前接受波動學說。以菲涅耳獲得1819年法國科學院的獎作為轉折點，光的波動理論重新獲得主導權。

托馬斯·楊出生于英格蘭薩默塞特郡（Somerset）的一個貴格會教徒家庭。他應該是當時英格蘭最博學、最多才多藝的人。他在非常年輕時就掌握了幾十種語言。他最初學醫(yī)，1796年在格丁根獲得博士學位。早在1794年，剛20出頭的他成為英國皇家學會會員。1797年，他繼承了舅公的遺產(chǎn)，從而衣食無憂，成為一名獨立的開業(yè)醫(yī)生。1801年至1804年，他是英國皇家研究院（Royal Institute）的物理教授，后來成為經(jīng)度委員會（Board of Longitude）的秘書。去世前不久，他開始對保險感興趣。1827年，他被選為法國科學院僅有的8位外國院士之一。楊非?？粗刈约旱尼t(yī)生角色，他的許多科學論文都是匿名發(fā)表的。他在解讀古埃及象形文字，尤其是在“羅塞塔石碑”（Rosetta Stone）的文學辨認方面做出過顯著貢獻。在英語世界里，他被認為是引入“印歐語系”（indo-european）概念的人。

一開始，楊是在一些實驗事實的基礎上對牛頓的光學理論產(chǎn)生懷疑。他把光和聲進行了類比，發(fā)現(xiàn)兩者在重疊后都有增強和減弱的現(xiàn)象。1801年，他進行了著名的雙縫干涉實驗。1803年，他根據(jù)光的干涉定律對光的衍射現(xiàn)象做了進一步的解釋，寫成了《物理光學的實驗和計算》（Experiments and Calculations Relative to Physical Optics）一文，1804年發(fā)表在《哲學會刊》（Philosophical Transactions）上。

楊的理論沒有得到學界的足夠重視，卻引起了微粒派的警覺和反彈。1808年，拉普拉斯用微粒學說分析了光的雙折射現(xiàn)象，以此批駁楊的波動學說。1809年，拉普拉斯的學生，曾參與拿破侖遠征埃及的馬呂斯（Etienne-Louis Malus，1775-1812）發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。進一步研究表明，光在折射時是部分偏振的。他用微粒說成功地解釋了雙折射。另一位牛頓派大將畢奧解釋了色偏振，這是一個以前未被注意的新現(xiàn)象。1811年，布儒斯特（Sir David Brewster，1781-1868）發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗定律。而按照惠更斯和楊的理論，光應該是一種縱波，縱波是不可能發(fā)生這樣的偏振的。為此，楊又進行了深入研究，1817年，他放棄了惠更斯的光是一種縱波的說法，提出了光是一種橫波的假說。從而比較成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象。

為了彰顯光的微粒學說的統(tǒng)治地位，拉普拉斯和畢奧提出將光的衍射問題作為1818年法國巴黎科學院懸賞征求最佳論文的題目。但最終事與愿違，獲獎的是試圖復興惠更斯波動學說的外省工程師菲涅耳。這件事本身就非常具有戲劇性。五個評獎委員中有三個——拉普拉斯、畢奧、泊松（Sim60n-Denis Poisson.1781-1840）是微粒說的信奉者，但他們?nèi)匀话血勴椊o了菲涅耳。這個事件被視為表明連微粒說理論家都認為菲涅耳的理論優(yōu)于微粒說的證據(jù)。

出生于厄爾省的菲涅耳并不是一個早慧的天才，恰恰相反，他到8歲時還不會閱讀。但進入中學，尤其是大學后，他的卓越才華就顯示出來了。菲涅耳1814年開始研究光學，寫了一篇關于光行差的論文。1819年，他成功地完成了對由兩個平面鏡所產(chǎn)生的相干光源進行的光的干涉實驗，當年底，他對光的傳播方向進行定性實驗后，與阿拉果（Franqois Arago，1786-1853）一道建立了光的橫波傳播理論。菲涅耳的波動理論以高度發(fā)展的數(shù)學為特征，利用干涉理論對惠更斯原理進行補充，后世稱之為惠更斯一菲涅耳原理（Huygens-Fresnel principle）。

如果不考慮理論背后的本體論承諾，科學家們在比較兩種理論之間的優(yōu)劣時，更多是從美學角度出發(fā)，看是否在數(shù)學上更簡潔。微粒說可以很好地解釋光的反射現(xiàn)象，但解釋衍射和折射現(xiàn)象就比較困難。微粒理論并非不能解釋折射，但是用波動理論解釋起來更簡單，無需另外添加輔助假設等。

菲涅耳的外省人、邊緣人的身份，也許是另一個值得考慮的因素。一方面，他遠離學術中心，沒有太多顧忌，敢于提出全新的看法。另一方面，所謂初生牛犢不怕虎，他有敢于做出重大突破的心理素質。在歷史上，恰恰是這些邊緣人做出了重大發(fā)現(xiàn)。當用微粒說來解釋一些光學現(xiàn)象變得越來越復雜和困難時，“隨著觀測繼續(xù)進行，這些不連貫的附加部分越來越多，直到它們徹底顛覆了最初的框架”。翻一個數(shù)學上的簡潔優(yōu)美。更具有解釋力的理論就被接受了。在解釋光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等與光的傳播有關的現(xiàn)象時，波動理論取得了完全的成功。

光的波動說獲得承認之后，托馬斯-楊多少有點不服氣。他認為自己“早已植下了這棵樹，而菲涅耳只不過摘下了樹上的蘋果”。菲涅耳與楊的關系從一開始就有點緊張。但還是維持著正常的學術交往。當菲涅耳于1927年英年早逝時，學界公正地評價了他們的貢獻，承認了楊的作用。楊自己也承認，他的貢獻更多是提出“準確的建議”（acute suggestion），而不是“實驗說明”（experimental illustration）。作為一位“博學者”（polymath），他對大的方向有非常敏銳的感覺，但在細節(jié)方面卻缺乏更加深入的研究。他的干涉原理沒有得到應有和及時的承認，與其博學者身份不無關系。

確立光之本性

蘇格蘭物理學家麥克斯韋被認為是處于牛頓和愛因斯坦之間的最偉大的物理學家。

1860年代，光的波動說已經(jīng)確立很久了。麥克斯韋在總結前人關于電磁學方面的研究成果的基礎上，于1861年提出了光本身就是一種電磁擾動的看法。麥克斯韋的觀點并沒有削弱那時已經(jīng)建立的波動說的重要地位，因為他提出的電磁擾動具備了波動學說所有的標準特征。在1865年，麥克斯韋進一步指出光也是一種電磁波，從而產(chǎn)生了光的電磁理論。

1900年，為了解決經(jīng)典物理學預測的黑體輻射能量分布同實驗結果之間嚴重不符的矛盾，普朗克（MaxPlanck，1858-1947）提出了能量量子（energy quanta）的假設，從而得到了黑體輻射的普朗克公式。而對于量子概念背后的含義，普朗克并沒有多想，只是把它作為權宜之計。1905年，愛因斯坦運用光量子假設，成功地解釋了光電效應。令人遺憾的是，在愛因斯坦提出光量子假說后近20年的時間里，物理學家們一直拒絕接受它。只是當康普頓（Arthur Compton，1892-1962）和德拜（Peter Debye，1884-1966）通過實驗證明，光子與電子在相互作用中不但有能量變換，還有一定的動量交換之后，愛因斯坦的光量子假說才被承認。1925年量子力學建立后，物質波的概念得到承認。人們發(fā)現(xiàn)，原子以及組成它們的電子、質子和中子等粒子的運動也具有波的屬性，波動性是物質運動的基本屬性。那種僅僅把波動理解為某種媒介物質的力學振動的狹隘觀點已被“波粒二象性”所取代。經(jīng)過200年的旅程，光的波動學說與微粒學說，在新的實驗事實與理論面前。實現(xiàn)了融合?！安６笮浴辈攀枪獾谋拘?。1950年代后，激光的出現(xiàn)和廣泛應用，更加深了人們對光的本性的認識。

愛因斯坦在1917年左右曾說：“在我的余生中將對光的本性進行反思。”在他去世前四年，他在寫給好朋友貝索（Miehele Besso，1873-1955）的信中這樣寫道：“整整五十年的自覺思考沒有使我更接近于解答‘光量子是什么？這個問題。的確，現(xiàn)在每一個無賴都相信，他懂得它，可是他在欺騙他自己?！?/p>

的確，愛因斯坦的一生與光結下不解之緣。早在中學階段，他通過閱讀伯恩斯坦（Aaron Bernstein，1818-1884）的《通俗科學大眾讀本》（WissenschqfilicheVoWsbiicher），了解了與光有關的一些有趣論述，這為后來的相對論埋下了思想伏筆。有趣的是，愛因斯坦獲得1921年度的諾貝爾獎，是因為“光電效應”，而不是最能代表他成就的相對論。這件事常被用來詬病諾貝爾獎委員會?，F(xiàn)在看來，這里面隱含了某種歷史的必然。

從1910年起，愛因斯坦幾乎每年（除1911年和1915年外）都獲得諾貝爾獎的提名。1919年11月6日 英國皇家學會和皇家天文學會舉行聯(lián)合會議宣布愛丁頓遠征隊考察結果。愛因斯坦一夜之間成為世界名人。諾貝爾委員會承受的壓力也越來越大。他們很清楚，愛因斯坦早就應該獲得諾貝爾獎。但諾貝爾委員會負責物理學的許多成員傾向于實驗物理學，而不是理論物理學，再加上相對論不是很容易理解，所以愛因斯坦并沒有得到委員們的青睞。

諾貝爾物理學獎委員會的負責人，1911年醫(yī)學獎獲得者古爾斯特蘭德（Anvar Gullstrand，1862-1930），要對愛因斯坦不因相對論獲獎負責。古爾斯特蘭德本人是一位出色的光學專家，是他那個時代幾何光學領域中的佼佼者。他在物理學上頗為自負也是有原因的。他曾在1910年和1911年連續(xù)兩年被提名獲諾貝爾物理學獎，1911年同時被提名獲生理學或醫(yī)學獎。他拒絕了物理學獎而接受了生理學或醫(yī)學獎。他之所以拒絕，可能跟他本人也是物理學獎委員會的成員有關。但他能得到物理學獎的提名，也絕非浪得虛名的。

1921年，為慎重起見，諾貝爾獎委員會委托古爾斯特蘭德和1903年度諾貝爾化學獎得主阿倫尼烏斯（Svante Arrhenius，1859-1927）對愛因斯坦的兩大成就——相對論和光電效應分別進行評價。兩個人都給了很低的評價。古爾斯特蘭德認為相對論的結論是錯的，他自己還試圖提供另外一種解答。但從他提交的報告來看，他完全不懂相對論，誤解并運用了其他學者對愛因斯坦的批評。由于有兩份評價很低的報告，再加上古爾斯特蘭德權力極大，愛因斯坦就沒有獲獎的可能。諾貝爾委員會決定1921年的物理學獎先暫緩頒發(fā)。1922年，愛因斯坦又獲得不少提名。委員會讓古爾斯特蘭德和一位剛加入諾貝爾物理獎委員會的學者奧辛（CaTl W.Oseen，1879～1944）來提供學界對愛因斯坦的兩項工作的最新評價。古爾斯特蘭德同樣負責提供學界對相對論的最新評價，奧辛負責評價光電效應。古爾斯特蘭德照樣提供了一份對相對論的相當?shù)偷脑u價意見，而奧辛對愛因斯坦在光電效應方面的工作則充滿贊詞。奧辛能理解愛因斯坦的工作，同時與古爾斯特蘭德關系不錯，他提出的讓愛因斯坦以在“光電效應”方面的貢獻獲獎的折中方案很快獲得通過。這樣，在1922年時，諾貝爾獎委員會宣布愛因斯坦獲得1921年度的諾貝爾物理學獎。更有趣的是，也許是出于補償。諾貝爾獎委員會允許愛因斯坦的諾貝爾獎演講不談“在光電效應方面的工作”，而談《相對論的基本思路和問題》。

歷史有讓人難以捉摸的一面。當年反對愛因斯坦以相對論入選的理由，是因為它與諾貝爾（Alfred Nobel，1833～1896）本人的遺囑不相符。諾貝爾的遺囑是要將獎項授予在上一年度“為人類的福祉做出杰出貢獻的人?！谖锢韺W界有最重大的發(fā)明或發(fā)現(xiàn)的人?！睙o論是相對論，還是光電效應，最終都深刻地改變了人類生活的面貌。我們現(xiàn)在的生活被以光電效應為基礎的技術所包圍，這也算是歷史還愛因斯坦一個公正吧。

愛因斯坦的獲獎過程為過度強調科學理論實際效用的評價體制提供了一面鏡子。究竟應該由誰來評定一個科學理論的地位和作用，值得我們深思，這方面還有很長的路要走。

謹以此文獻給國際光年。