Part. 2

上次我們說到，1887年，赫茲的實驗證實了電磁波的存在，也證實了光其實是電磁波的一種，兩者具有共同的波的特性。這就為光的本性之爭畫上了一個似乎已經是不可更改的句號。

說到這里，我們的故事要先回一回頭，穿越時空去回顧一下有關于光的這場大戰。這也許是物理史上持續時間最長，程度最激烈的一場論戰。它不僅貫穿于光學發展的全過程，還使整個物理學都發生了翻天覆地的變化，在歷史上燒灼下了永不磨滅的烙印。

光，是每個人見得最多的東西（“見得最多”在這里用得真是一點也不錯）。自古以來，它就理所當然地被認為是這個宇宙最原始的事物之一。在遠古的神話中，往往是“一道亮光”劈開了混沌和黑暗，于是世界開始了運轉。光在人們的心目中，永遠代表著生命、活力和希望，更由此演繹開了數不盡的故事與傳說。從古埃及的阿蒙（也叫拉Ra），到中國的祝融；從北歐的巴爾德（Balder），到希臘的阿波羅；從凱爾特人的魯（Lugh），到拜火教徒的阿胡拉·瑪茲達（Ahura Mazda），這些代表光明的神祇總是格外受到崇拜。哪怕在《圣經》里，神要創造世界，首先要創造的也仍然是光，可見它在這個宇宙中所占的獨一無二的地位。

可是，光究竟是一種什么東西呢？雖然我們每天都要與它打交道，但普通人似乎很少會去認真地考慮這個問題。如果仔細地想一想，我們會發現光實在是一個奇妙的事物，它看得見，卻摸不著，沒有氣味也沒有重量。我們一按電燈開關，它似乎就憑空地被創生出來，一下子充滿整個空間。這一切，都是如何發生的呢？

有一個事情是肯定的：我們之所以能夠看見東西，那是因為光在其中作用的結果，但人們對具體的作用機制則在很長一段時間內都迷惑不解。在古希臘時代，人們猜想，光是一種從我們的眼睛里發射出去的東西，當它到達某樣事物的時候，這樣事物就被我們“看見”了。比如恩培多克勒（Empedocles）就認為世界是由水、火、氣、土四大元素組成的，而人的眼睛是女神阿芙洛狄忒（Aphrodite）用火點燃的。當火元素（也就是光，古時候往往光、火不分）從人的眼睛里噴出到達物體時，我們就得以看見事物。

但顯而易見，單單用這種解釋是不夠的。如果光只是從我們的眼睛出發，那么只要我們睜開眼睛，就應該能看見。但每個人都知道，有些時候，我們即使睜著眼睛也仍然看不見東西（比如在黑暗的環境中）。為了解決這個困難，人們引進了復雜得多的假設。比如柏拉圖（Plato）認為有三種不同的光，分別來源于眼睛、被看到的物體以及光源本身，而視覺是三者綜合作用的結果。

這種假設無疑是太復雜了。到了羅馬時代，偉大的學者盧克萊修（Lucretius）在其不朽著作《物性論》中提出，光是從光源直接到達人的眼睛的，但是他的觀點卻始終不為人們所接受。對光成像的正確認識直到公元1000年左右才被著名的伊斯蘭科學家阿爾—哈桑（Al-Haytham，也拼作Alhazen）所最終歸納成型：原來我們之所以能夠看到物體，只是由于光從物體上反射進我們眼睛里的結果。哈桑從多方面有力地論證了這一點，包括研究了光進入眼球時的折射效果以及著名的小孔成像實驗。他那阿拉伯語的著作后來被翻譯并介紹到西方，并為羅杰爾·培根（Roger Bacon）所發揚光大，這給現代光學的建立打下了基礎。

關于光在運動中的一些性質，人們也很早就開始研究了。基于光總是走直線的假定，歐幾里得（Euclid）在《反射光學》（Catoptrica）一書里面就研究了光的反射問題。托勒密（Ptolemy）、哈桑和開普勒（Johannes Kepler）都對光的折射做了研究，而荷蘭物理學家斯涅爾（Willebrord Snell）則在他們的工作基礎上于1621年總結出了光的折射定律。最后，光的種種性質終于被有“業余數學之王”之稱的費馬（Pierre de Fermat）歸結為一個簡單的法則，那就是“光總是走最短的路線”。光學作為一門物理學科終于被正式確立起來。

但是，當人們已經對光的種種行為了如指掌的時候，我們最基本的問題卻依然沒有得到解決，那就是：“光在本質上到底是一種什么東西？”這個問題看起來似乎并沒有那么難以回答，沒有人會想到，對于這個問題的探究居然會那樣地曠日持久，而這一探索的過程，對物理學的影響竟然會是那么地深遠和重大，其意義超過當時任何一個人的想象。

古希臘時代的人們總是傾向于把光看成是一種非常細小的粒子流，換句話說，光是由一粒粒非常小的“光原子”組成的。這種觀點一方面十分符合當時流行的元素說，另一方面古代的人們除了粒子之外對別的物質形式也了解得不是很多。這種理論，我們把它稱之為光的“微粒說”。微粒說從直觀上來看是很有道理的，首先它就可以很好地解釋為什么光總是沿著直線前進，為什么會嚴格而經典地反射，甚至折射現象也可以由粒子流在不同介質里的速度變化而得到解釋。但是粒子說也有一些顯而易見的困難：比如人們當時很難說清為什么兩道光束相互碰撞的時候不會互相彈開，人們也無法得知，這些細小的光粒子在點上燈火之前是隱藏在何處的，它們的數量是不是可以無限多，等等。

當黑暗的中世紀過去之后，人們對自然世界有了進一步的認識。波動現象被深入地了解和研究，聲音是一種波動的認識也進一步深入人心。人們開始懷疑：既然聲音是一種波，為什么光不能夠也是波呢？17世紀初，笛卡兒（René Descartes）在他《方法論》的三個附錄之一《折光學》中率先提出了這樣的可能：光是一種壓力，在媒質里傳播。不久后，意大利的一位數學教授格里馬第（Francesco Maria Grimaldi）做了一個實驗，他讓一束光穿過兩個小孔后照到暗室里的屏幕上，發現在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格里馬第馬上聯想起了水波的衍射（這個大家在中學物理的插圖上應該都見過），于是提出：光可能是一種類似水波的波動，這就是最早的光波動說。

波動說認為，光不是一種物質粒子，而是由于介質的振動而產生的一種波。我們想象一下足球場上觀眾掀起的“人浪”：雖然每個觀眾只是簡單地站起和坐下，并沒有四處亂跑，但那個“浪頭”卻實實在在地環繞全場運動著，這個“浪頭”就是一種波。池塘里的水波也是同樣的道理，它不是一種實際的傳遞，而是沿途的水面上下振動的結果。如果光也是波動的話，我們就容易解釋投影里的明暗條紋，也容易解釋光束可以互相穿過互不干擾。關于直線傳播和反射的問題，人們后來認識到光的波長是極短的，在大多數情況下，光的行為就如同經典粒子一樣，而衍射實驗則更加證明了這一點。但是波動說有一個基本的難題：既然波本身是介質的振動，那它必須在某種介質中才能夠傳遞，比如聲音可以沿著空氣、水乃至固體前進，但在真空里就無法傳播。為了容易理解這一點，大家只要這樣想：要是球場里空無一人，那“人浪”自然也就無從談起。

而光則不然，它似乎不需要任何媒介就可以任意地前進。舉一個簡單的例子：星光可以從遙遠的星系出發，穿過幾乎是真空的太空來到地球而為我們所見，這對波動說來說顯然是非常不利的。但是波動說巧妙地擺脫了這個難題：它假設了一種看不見摸不著的介質來實現光的傳播，這種介質有一個十分響亮而讓人印象深刻的名字，叫作“以太”（Aether）。

就在這樣一種奇妙的氣氛中，光的波動說登上了歷史舞臺。我們很快就會看到，這個新生力量似乎是微粒說的前世冤家，它命中注定要與后者開展一場長達數個世紀之久的戰爭。它們兩個的命運始終互相糾纏在一起，如果沒有了對方，誰也不能說自己還是完整的。到了后來，它們簡直就是為了對手而存在著。這出精彩的戲劇從一開始的伏筆，經過兩個起落，到達令人眼花繚亂的高潮。而最后絕妙的結局則更讓我們相信，它們的對話幾乎是一種可遇而不可求的緣分。17世紀中期，正是科學的黎明將要到來之前那最后的黑暗，誰也無法預見，這兩朵小火花即將要引發一場熊熊大火。

飯后閑話：說說“以太”

正如我們在上面所看到的，以太最初是作為光波媒介的假設而提出的。但“以太”一詞的由來則早在古希臘：亞里士多德（Aristotle）在《論天》一書里闡述了他對天體的認識。他認為日月星辰圍繞著地球運轉，但其組成卻不同于地上的四大元素：水、火、氣、土。天上的事物應該是完美無缺的，它們只能由一種更為純潔的元素所構成，這就是亞里士多德所謂的“第五元素”以太（希臘文的αηθηρ）。而自從這個概念被借用到科學里來之后，以太在歷史上的地位可以說是相當微妙的。一方面，它曾經扮演過如此重要的角色，以致成為整個物理學的基礎；另一方面，當它榮耀不再時，也曾受盡嘲笑。雖然它不甘心地再三掙扎，改頭換面，賦予自己新的意義，卻仍然逃脫不了最終被拋棄的命運，甚至有段時間幾乎成了偽科學的專用詞。

但無論怎樣，以太的概念在科學史上還是占有一席之地的。它曾經代表的光媒以及絕對參考系，雖然已經退出了舞臺中央，但畢竟曾經擔負過歷史的使命。直到今天，每當提起這個名字，似乎仍然能夠喚起我們對那段黃金歲月的懷念。它就像是一張泛黃的照片，記載了一個貴族光榮的過去。今天，以太作為另外一種概念用來命名一種網絡協議（以太網Ethernet），生活在e時代的我們每每看到這個詞的時候，是不是也會生出幾許慨嘆？

當路過以太的墓碑時，還是讓我們脫帽，向它致敬。