似水流年：《光速——從地心說的覆滅到相對論的誕生》寫作雜記

關(guān)于科學(xué)觀念

1970年代，當(dāng)我很小的時(shí)候，祖父常牽著我，到工廠后門的傳達(dá)室去取報(bào)紙和雜志。門衛(wèi)總是熱情地打招呼：“徐爺爺，來坐坐。”然后和祖父愉快地聊天。我則開始翻閱那些報(bào)紙和雜志，雖然上面的字我還基本不認(rèn)識。

在這些雜志中，我記得有一本《科學(xué)實(shí)驗(yàn)》，祖父一直都訂閱這本雜志。一直到我17歲離開家去讀大學(xué)，這種訂閱都未曾中斷。

我記得那本雜志曾經(jīng)改名叫《科學(xué)》，不確定是不是現(xiàn)在我將為之寫稿的這本雜志。后經(jīng)編輯查證，《科學(xué)》1970年代是?？模珡奈锤拿?，所以它們一定不是同一本刊了。往事如煙，難免讓人生出些錯亂的聯(lián)想。

況且，雜志的停辦、合并、改名或者復(fù)刊，皆是稀松平常的事。像大名鼎鼎的美國的《科學(xué)》（Science），在愛迪生手中創(chuàng)辦，也曾經(jīng)經(jīng)歷過?？拿\(yùn)。這些變故，有的可能有記錄，有的可能連記錄都已散失。

這錯亂中，我能找到一個(gè)共同點(diǎn)，那便是“科學(xué)”。這不禁讓我回想起童年的科學(xué)經(jīng)歷來。

六七歲時(shí)，我經(jīng)歷的科學(xué)辯論，是關(guān)于太陽和月亮誰離我們近的問題。太陽的視張角約為0.535°，而月亮的視張角約為0.522°，而且太陽又熱又燙，對孩子而言，感覺當(dāng)然是太陽近些。

我的祖父給我和小伙伴們耐心解釋了遠(yuǎn)近、大小和冷熱的概念。雖然我的祖父是個(gè)大知識分子，但是他當(dāng)時(shí)戴著一副下面挖了邊的金絲眼鏡，怎么看怎么像《渡江偵察記》里的敵情報(bào)科長。而我父母所在的工廠里，真有人參加過當(dāng)年的渡江戰(zhàn)役，所以祖父的敵參謀長形象就愈發(fā)真實(shí)起來。這個(gè)反面形象似乎使得這種解釋對小孩來說并沒有什么說服力。

科學(xué)的觀念——現(xiàn)在我們認(rèn)為正統(tǒng)的觀念，并不是那么直接而易于理解的。我們每個(gè)人都會自發(fā)地認(rèn)為自己的觀察是客觀而理性的，很難意識到我們受到了當(dāng)時(shí)各種社會狀況的影響。其實(shí)我們所謂的客觀、理性，只是我們受環(huán)境影響而得到的一個(gè)綜合結(jié)果而已。

在我寫作的故事中，最能體現(xiàn)社會狀況對思想影響的，莫過于哥白尼的歷史了。

哥白尼（N. Copernicus）在《天球運(yùn)行論》開始部分，花了不少的篇幅，來解釋地球?yàn)槭裁词菆A的。因?yàn)楫?dāng)時(shí)的西歐社會，最流行的觀念，便是地平說。哥白尼是如何解釋的呢？他給了一個(gè)明顯的觀察證明，是我們觀察從天際而來的行船，總是看到船的桅桿先露出來。

這個(gè)觀察并不算復(fù)雜，我們的先民也應(yīng)該觀察到過。而且，人類最早的跨洋遠(yuǎn)航，是波利尼西亞人。約公元前1000年，他們從現(xiàn)今的中國臺灣出發(fā)，經(jīng)過太平洋上的一個(gè)個(gè)小島，而至美洲。對他們而言，建立地球?yàn)閳A的概念，并不是困難的事。這些先民很早就與我們?nèi)A夏民族有交流，因此，我們的祖先沒有建立地球?yàn)閳A的概念，是件非常奇怪的事。

就這件奇怪的事，我曾經(jīng)和《大學(xué)物理》的李輕舟編輯有過交流。探討后，我們大致認(rèn)為，我們是一個(gè)農(nóng)耕民族，我們活動的范圍，主要限制在土地易于耕種的地方。我們歷朝歷代的知識分子主要服務(wù)于農(nóng)耕民族的生產(chǎn)與統(tǒng)治。而遠(yuǎn)在天邊的事，怎么解釋是無所謂的。而關(guān)于世界的解釋權(quán)，主要還是掌握在知識分子手里的；至于外來的知識或者底層勞動者的經(jīng)驗(yàn)，只要不影響生產(chǎn)與統(tǒng)治，也許是件可有可無的事。

從建構(gòu)理論的角度看，淺顯的觀察與理論的矛盾，是非常容易調(diào)和的。地球除了是圓的，也可以是其他形狀，并不是說非得是平的。比如我們古人關(guān)于世界的看法，是西北高而東南低，所以海水東流。只要這個(gè)流動，有一個(gè)緩變的外凸形狀，先看見船的桅桿，也是件可以解釋的事。

所以，社會流行觀念，對我們的科學(xué)研究及實(shí)驗(yàn)解釋，有著非常大的影響。

寫作過程二三事

在我開始寫作這本書的時(shí)候，其目的非常單純，僅僅是想從科學(xué)史的角度解釋相對論為什么會誕生。但是，在寫作過程中，隨著閱讀文獻(xiàn)的深入，我才逐步體會到，僅僅是理解思想的進(jìn)步和演變，都是一件非常困難的事。

地心說和日心說的辯論，持續(xù)了1000多年，中間除了哲學(xué)思想的辯論，還有技術(shù)進(jìn)步，實(shí)踐需要和宗教斗爭。因此，當(dāng)我開始梳理相對論誕生前的物理思想演變時(shí)，發(fā)現(xiàn)不得不去了解神學(xué)和科學(xué)的關(guān)系。由于知識所限，曾多次向清華大學(xué)蔣勁松教授請教。

“1326年的一日，天色陰沉，三名男子站在阿維尼翁的多姆圣母院大教堂的禮拜人群中……他們分別是英國人、意大利人和德國人，全都說一口流利的拉丁語……他們并不前瞻未來，回顧過去，而是仰視天堂，俯視地獄……”這里的英國人，正是我們所知的“如無必要，勿增實(shí)體”這句名言的言說者——威廉·奧卡姆（W. Ockham）。

讀到上面這段話，我相信，讀者們大約跟我一樣，一頭霧水。這些話摘自張卜天所譯的一本由邁克爾·艾倫·吉萊斯皮所寫的名著《現(xiàn)代性的神學(xué)起源》。而這本書正是蔣勁松教授推薦給我的。

讀這本書，當(dāng)然可以對科學(xué)與宗教的關(guān)系略知一二。但是，一大堆的宗教和哲學(xué)名詞，也讓人如墜五云之中，分辨不了南北西東。

以我淺薄的理解，天主教從13—15世紀(jì)遭遇到了巨大的危機(jī)，十字軍東征的失敗，黑死病肆虐，教廷從羅馬遷往阿維尼翁，使得宗教的威信大打折扣。正是在宗教危機(jī)中，宗教思想家們開始懷疑教廷對宗教的解釋權(quán)，懷疑教廷所塑造的上帝。他們必須塑造新的形象。在奧卡姆那里，上帝變得無善無惡，并且也不一定會對虔誠者進(jìn)行救贖。按照奧卡姆的說法，上帝是全能的，當(dāng)然不會受一定之規(guī)的限制；再說，上帝不欠人的，為什么要救贖？簡言之，救贖是上帝的恩典，不救也再正常不過。

而奧卡姆的思想，正是現(xiàn)代的人文和科學(xué)之發(fā)軔。經(jīng)過一系列演變，現(xiàn)代科學(xué)兩個(gè)重要的思想得以奠定。

一個(gè)是實(shí)踐性。天意難測，人只能老老實(shí)實(shí)通過實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)總結(jié)，去認(rèn)識自然。這也許是現(xiàn)代科學(xué)的最大特征，和我們這個(gè)古老民族講究的“心誠則靈”完全背道而馳。

另一個(gè)是假設(shè)。既然天意難測，人歸根到底沒有能力去測，所以就不要去問究竟，而是應(yīng)該采用一些假設(shè)，來解釋實(shí)驗(yàn)，預(yù)測實(shí)驗(yàn)。如果假設(shè)與實(shí)驗(yàn)有矛盾，那就放棄或者修改這些假設(shè)，另起爐灶。這也暗示，科學(xué)至少是不喜歡萬物理論的。沒有萬事萬物盡入囊中的科學(xué)理論。

因此，在本書的寫作過程中，我盡量凸顯物理學(xué)演進(jìn)過程中實(shí)驗(yàn)和假設(shè)的互動關(guān)系。這里面既包括以太觀念的運(yùn)用、修正和放棄，也包括對時(shí)空的理解的變化。

相對論的誕生，不僅和光學(xué)的發(fā)展密不可分，與電磁學(xué)的發(fā)展也是緊密相連的。畢竟，愛因斯坦關(guān)于狹義相對論的第一篇論文就是《論動體的電動力學(xué)》。但是，愛因斯坦的理論基礎(chǔ)主要是在電磁波的理論上，所以敘述整個(gè)電磁學(xué)的發(fā)展顯然必要性不大。

不過，在寫作過程中，正好碰到了一件事，就是有人號稱改寫了麥克斯韋方程組。在這個(gè)浮躁的世界，為了吸引眼球，做些夸張宣傳，再正常不過了。但令我吃驚的是，麥克斯韋（J. C. Maxwell）突然被眾多評論者封了“大神”，仿佛麥克斯韋靈光一閃，就有了神通，創(chuàng)造了方程。

從構(gòu)造理論的技術(shù)層面講，麥克斯韋方程組只是對安培（A. Ampère）、高斯（C. F. Gauss）、法拉第（M. Faraday）等電磁方程的總結(jié)，而其依靠的思想模型來自開爾文男爵（B. Kelvin），其依靠的實(shí)驗(yàn)事實(shí)則來自韋伯（W. E. Weber）和科爾勞施（R. Kohlrausch）的實(shí)驗(yàn)。

科學(xué)是一代又一代學(xué)者共同努力的結(jié)果，并不是哪個(gè)天縱英才下凡來創(chuàng)造的。

正因如此，我專門擴(kuò)寫了電磁理論相關(guān)章節(jié)。

在書中每一個(gè)大的部分，我都有意識地加入我國古代的相關(guān)歷史故事或者典故，以體現(xiàn)我們的先祖對天地的思考，對科學(xué)的探索。

但是，寫到相對論誕生一部分，則頗費(fèi)周章。

這一部分，是以1840年，開爾文男爵少年時(shí)隨父親到德國度假開篇的。而1840年，正是鴉片戰(zhàn)爭的開始之年。

為了吸取靈感，我前往虎門炮臺。

看著那些銹跡斑斑的大炮，幽暗昏惑的炮洞，屈辱之情油然而生。面對江風(fēng)，忽然想起我祖母的伯爺方祖蔭，在1895年臺灣陷落之時(shí)，于臺北城中率兵抵抗，而后活不見人，死不見尸，不禁長淚漣漣，長淚漣漣……

故在此部分，沒有加入任何我國古代或者近代故事。

我的朋友和同事文德華教授曾問我為什么要寫這本書。

寫這本書當(dāng)然有很多具體的理由，包括我曾在科學(xué)網(wǎng)上寫有關(guān)連載，包括回答朋友們有意無意間問起的相對論的問題，如此等等。

但是，一個(gè)深藏心底的緣由，則是15歲的我之所見。

那個(gè)夏天的一日，父親領(lǐng)著我，沿著小溪，走過田野，來到華巖水庫游泳。

在到達(dá)水庫時(shí)，父親道：“麥克斯韋說，光是一種電磁波?！?/p>

那一刻，光影交錯，波光粼粼，令人沉醉。

從那一刻起，我就一直有一個(gè)心愿：要書寫光之美。

結(jié) 語

在書的前兩個(gè)部分，介紹了來自天文學(xué)的光速測量，即對木衛(wèi)蝕和天棓四的觀察。而這樣的觀察，是在波瀾壯闊的大航海時(shí)代背景下展開的，穿插了宗教與科學(xué)圍繞日心說和地心說的激烈斗爭。第三部分是關(guān)于光的波動學(xué)說和粒子說的激烈交鋒；波動學(xué)說為光速的精密測量準(zhǔn)備了條件，而對光行差的波動光學(xué)解釋，則體現(xiàn)了科學(xué)家巧妙的理論構(gòu)建。第四部分為電磁波而寫，以期讀者理解“光是一種電磁波”的確切來歷。第五部分則是狹義相對論的誕生，講述了科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，拋棄以太，革新時(shí)空觀的繁復(fù)的思想變化。

我更愿意未來的人，不要把這本書僅僅當(dāng)作一本科普書，而是當(dāng)作一首關(guān)于科學(xué)的長詩。這首長詩，回應(yīng)了這個(gè)時(shí)代思想深處的某種疑問和躁動，也保留了這個(gè)時(shí)代的“當(dāng)時(shí)風(fēng)味”。 ■