Part. 3

上次說(shuō)到，關(guān)于光本質(zhì)上究竟是什么的問題，在17世紀(jì)中期有了兩種可能的假設(shè)：微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)。

然而在一開始的時(shí)候，雙方的武裝都是非常薄弱的。微粒說(shuō)固然有悠久的歷史，但它手中的力量十分有限。光的直線傳播問題和反射、折射問題本來(lái)是它的傳統(tǒng)領(lǐng)地，但波動(dòng)方面軍在發(fā)展了自己的理論后，迅速就在這兩個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)上與微粒平分秋色。波動(dòng)論作為一種新興的理論，格里馬第的光衍射實(shí)驗(yàn)是它發(fā)家的最大法寶，但它卻拖著一個(gè)沉重的包袱，就是光以太的假設(shè)。這個(gè)憑空想象出來(lái)的媒介，將在很長(zhǎng)一段時(shí)間里成為波動(dòng)軍隊(duì)的累贅。

兩支力量起初并沒有發(fā)生什么武裝沖突。在笛卡兒的《方法論》那里，它們還依然心平氣和地站在一起供大家檢閱。導(dǎo)致歷史上“第一次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)”爆發(fā)的導(dǎo)火索是波義耳（Robert Boyle，中學(xué)里學(xué)過波馬定律的朋友一定還記得這個(gè)令你頭疼的愛爾蘭人）在1663年提出的一個(gè)理論：他認(rèn)為我們看到的各種顏色，其實(shí)并不是物體本身的屬性，而是光照上去才產(chǎn)生的效果。這個(gè)論調(diào)本身并沒有關(guān)系到微粒波動(dòng)什么事，但卻引起了對(duì)顏色屬性的激烈爭(zhēng)論。

在格里馬第的眼里，顏色的不同，是因?yàn)楣獠l率的不同而引起的。他的實(shí)驗(yàn)引起了羅伯特·胡克（Robert Hooke）的興趣。胡克本來(lái)是波義耳的實(shí)驗(yàn)助手，當(dāng)時(shí)是英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員（FRS），同時(shí)也兼任實(shí)驗(yàn)管理員。他重復(fù)了格里馬第的工作，并仔細(xì)觀察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通過薄云母片產(chǎn)生的光輝。根據(jù)他的判斷，光必定是某種快速的脈沖，于是他在1665年出版的《顯微術(shù)》（Micrographia）一書中明確地支持波動(dòng)說(shuō)。《顯微術(shù)》是一本劃時(shí)代的偉大著作，它很快為胡克贏得了世界性的學(xué)術(shù)聲譽(yù)，波動(dòng)說(shuō)由于這位大將的加入，似乎也在一時(shí)占了上風(fēng)。

然而不知是偶然，還是冥冥之中自有安排，一件似乎無(wú)關(guān)緊要的事情改變了整個(gè)戰(zhàn)局的發(fā)展。

1672年年初，一位叫作艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的年輕人因?yàn)橹圃炝艘慌_(tái)杰出的望遠(yuǎn)鏡而當(dāng)選為皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員。牛頓當(dāng)時(shí)才29歲，年輕氣盛，正準(zhǔn)備在光學(xué)和儀器方面大展拳腳。我們知道，牛頓早在當(dāng)年鄉(xiāng)下老家躲避瘟疫的時(shí)候，就已經(jīng)在光學(xué)領(lǐng)域做出了深刻的思考。在寫給學(xué)會(huì)秘書奧爾登伯格（Henry Oldenburg）的信里，牛頓再一次介紹了他那關(guān)于光和色的理論，其內(nèi)容是關(guān)于他所做的光的色散實(shí)驗(yàn)。2月8日，此信在皇家學(xué)會(huì)被宣讀，這也可以說(shuō)是初來(lái)乍到的牛頓向皇家學(xué)會(huì)提交的第一篇論文。它在發(fā)表后受到了廣泛關(guān)注，評(píng)論者除了胡克之外，還包括惠更斯、帕迪斯（I.G.Pardies），以及牛頓后來(lái)的兩個(gè)眼中釘——弗萊姆斯蒂德（John Flamsteed）和萊布尼茲（Gottfried Leibniz）。

色散實(shí)驗(yàn)是牛頓所做的有名的實(shí)驗(yàn)之一。實(shí)驗(yàn)的情景在一些科普讀物里被渲染得令人印象深刻：炎熱難忍的夏天，牛頓卻戴著厚重的假發(fā)待在一間小屋里。窗戶全都被封死了，所有的窗簾也被拉上，屋子里面又悶又熱，一片漆黑，只有一束亮光從一個(gè)特意留出的小孔射進(jìn)來(lái)。牛頓不顧身上汗如雨下，全神貫注地在屋里走來(lái)走去，并不時(shí)地把手里的一個(gè)三棱鏡插進(jìn)那個(gè)小孔里。每當(dāng)三棱鏡被插進(jìn)去的時(shí)候，原來(lái)的那束白光就不見了，而在屋里的墻上映射出一條長(zhǎng)長(zhǎng)的彩色寬帶：顏色從紅一直到紫。這當(dāng)然是一種簡(jiǎn)單得過分的描述，不過正是憑借這個(gè)實(shí)驗(yàn)，牛頓得出了白色光是由七彩光混合而成的結(jié)論。

然而在牛頓的理論里，光的復(fù)合和分解被比喻成不同顏色微粒的混合和分開。他的文章被交給一個(gè)三人評(píng)議會(huì)審閱，胡克和波義耳正是這個(gè)評(píng)議會(huì)的成員，胡克對(duì)此觀點(diǎn)進(jìn)行了激烈的抨擊。胡克聲稱，牛頓論文中正確的部分（也就是色彩的復(fù)合）是竊取了他1665年的思想，而牛頓“原創(chuàng)”的微粒說(shuō)則不值一提，僅僅是“假說(shuō)”而已。這個(gè)批評(píng)雖然不能說(shuō)全無(wú)道理，但很可能只是胡克想給牛頓一個(gè)下馬威。作為當(dāng)時(shí)在光學(xué)和儀器方面獨(dú)一無(wú)二的權(quán)威，胡克顯然沒把牛頓這個(gè)毛頭小伙放在眼里，他后來(lái)承認(rèn)說(shuō)，自己只花了3～4小時(shí)來(lái)閱讀牛頓的文章。不過胡克顯然沒有意識(shí)到，這次的對(duì)手是那樣與眾不同。

牛頓大概有生以來(lái)都沒受過這樣直截了當(dāng)?shù)呐u(píng)。他勃然大怒，花了整整四個(gè)月時(shí)間寫了一篇洋洋灑灑的長(zhǎng)文，在每一點(diǎn)上都進(jìn)行了反駁。胡克慘遭炮轟，他的名字出現(xiàn)在第一句里，出現(xiàn)在最后一句里，在中間更是出現(xiàn)了25次以上。韋斯特福爾（R.S.Westfall）在那本名揚(yáng)四海的牛頓傳記《決不停止》（Never at Rest）中描述道：“（牛頓）實(shí)際上用胡克的名字穿起了一首疊句詩(shī)。”而且越到后來(lái)，用詞越是尖刻難聽。就這樣，胡克大言不慚在前，牛頓惡語(yǔ)相譏于后，兩個(gè)人都格外敏感且心胸狹窄，最終不可避免地成為對(duì)方畢生的死敵。牛頓的狂怒并沒有就此平息，他對(duì)每一個(gè)批評(píng)都報(bào)以挑釁性的回復(fù)，包括用詞謹(jǐn)慎的惠更斯在內(nèi)。他撤回了所有原本準(zhǔn)備在皇家學(xué)會(huì)發(fā)表的文章，到了1673年3月，他甚至在一封信里威脅說(shuō)準(zhǔn)備退出學(xué)會(huì)。最后，牛頓中斷與外界的通信，讓自己在劍橋與世隔絕。

其實(shí)在此之前，牛頓的觀點(diǎn)還是在微粒和波動(dòng)之間有所搖擺的，并沒有完全否認(rèn)波動(dòng)說(shuō)。1665年，當(dāng)胡克發(fā)表他的觀點(diǎn)時(shí)，牛頓還剛剛從劍橋三一學(xué)院畢業(yè)，也許還在蘋果樹前面思考他的萬(wàn)有引力問題呢。在牛頓最初的理論中，微粒只是一個(gè)臨時(shí)的假設(shè)而已，根本不是主要論點(diǎn)。即使在胡克最初的批評(píng)之后，牛頓也還是作出了一定的妥協(xié)，給波動(dòng)說(shuō)提出了一些非常重要的改進(jìn)意見。但在此之后，牛頓與胡克的關(guān)系進(jìn)一步惡化，他最終開始一面倒地支持微粒說(shuō)。這究竟是因?yàn)閳?bào)復(fù)心理，還是因?yàn)榭茖W(xué)精神，今天已經(jīng)無(wú)法得知了，想來(lái)兩方面都有吧。至少我們知道牛頓的性格是以小氣和斤斤計(jì)較而聞名的，這從以后他和萊布尼茲關(guān)于微積分發(fā)明的爭(zhēng)論中也可見一斑。

不過，一方面因?yàn)楹说拿麣猓硪环矫嬉惨驗(yàn)榕ｎD的注意力更多地轉(zhuǎn)移到了別的方面，牛頓暫時(shí)仍然沒有正式地全面論證微粒說(shuō)（只是在幾篇論文中反駁了胡克）。而胡克被牛頓激烈的言辭嚇了一跳，也沒有再咬住不放。在胡克的文稿中我們可以發(fā)現(xiàn)一些反駁意見，其中描述的一個(gè)實(shí)驗(yàn)幾乎就是150年后菲涅爾實(shí)驗(yàn)的原型。不過這封信很可能并沒有寄出，即使牛頓讀到了，也顯然沒有為此而改變?nèi)魏慰捶āＴ谂ｎD和胡克都暫時(shí)沉寂下去的時(shí)候，波動(dòng)方面軍在另一個(gè)國(guó)家開始了他們的現(xiàn)代化進(jìn)程——用理論來(lái)裝備自己。荷蘭物理學(xué)家惠更斯（Christiaan Huygens）登上舞臺(tái)，成為了波動(dòng)說(shuō)的主將。

惠更斯是數(shù)學(xué)理論方面的天才，他繼承了胡克的思想，認(rèn)為光是一種在以太里傳播的縱波，并引入了“波前”等概念，成功地證明和推導(dǎo)了光的反射和折射定律。他的波動(dòng)理論雖然還十分粗略，但取得的成就卻是杰出的。當(dāng)時(shí)隨著光學(xué)研究的不斷深入，新的戰(zhàn)場(chǎng)不斷被開辟。1669年，丹麥的巴塞林那斯（E.Bartholinus）發(fā)現(xiàn)當(dāng)光通過方解石晶體時(shí)，會(huì)出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。而到了1675年，牛頓在皇家學(xué)會(huì)報(bào)告說(shuō)，如果讓光通過一塊大曲率凸透鏡照射到光學(xué)平玻璃板上，會(huì)在透鏡與玻璃平板接觸處出現(xiàn)一組彩色的同心環(huán)條紋，也就是著名的“牛頓環(huán)”（對(duì)圖像和攝影有興趣的朋友一定知道）。惠更斯將他的理論應(yīng)用于這些新發(fā)現(xiàn)上面，發(fā)現(xiàn)他的波動(dòng)軍隊(duì)可以輕易地占領(lǐng)這些新辟的陣地，只需要做小小的改制即可（比如引進(jìn)橢圓波的概念）。1690年，惠更斯的著作《光論》（Traite de la Lumiere）出版，標(biāo)志著波動(dòng)說(shuō)在這個(gè)階段到達(dá)了一個(gè)興盛的頂點(diǎn)。

但不幸的是，波動(dòng)方面軍暫時(shí)的得勢(shì)看來(lái)注定要成為曇花一現(xiàn)的泡沫，因?yàn)樵谒麄兊膶?duì)手那里站著一個(gè)光芒四射的偉大人物——艾薩克·牛頓先生（而且很快就要被冠上爵士的頭銜）。這位科學(xué)巨人——不管他是出于什么理由——已經(jīng)決定要給予波動(dòng)說(shuō)的軍隊(duì)以毫不留情的致命打擊。牛頓對(duì)胡克恨之入骨，只要胡克還在皇家學(xué)會(huì)一天，他就基本不去那里開會(huì)。胡克終于在1703年眾叛親離地死去了——所有的人都松了一口氣。這也為牛頓不久后順理成章地當(dāng)選為皇家學(xué)會(huì)主席鋪平了道路，他今后將用鐵腕手段統(tǒng)治這個(gè)協(xié)會(huì)長(zhǎng)達(dá)24年之久。

胡克死后第二年，也就是1704年，牛頓終于出版了他的煌煌巨著《光學(xué)》（Opticks）。在時(shí)間上這是一次精心的戰(zhàn)術(shù)安排，其實(shí)這本書早就完成了。牛頓在介紹中寫道：“為了避免在這些事情上引起爭(zhēng)論，我推遲了這本書的付梓時(shí)間。而且要不是朋友們一再要求，還將繼續(xù)推遲下去。”任誰(shuí)都看得出胡克在其中扮演的角色。

《光學(xué)》是一本劃時(shí)代的作品，幾乎是可以與《原理》并列的偉大杰作，在之后整整100年內(nèi)，它都被奉為不可動(dòng)搖的金科玉律。牛頓在其中詳盡地闡述了光的色彩疊合與分散，從粒子的角度解釋了薄膜透光、牛頓環(huán)以及衍射實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的種種現(xiàn)象。他駁斥了波動(dòng)理論，質(zhì)疑如果光和聲音同樣是波，為什么光無(wú)法像聲音那樣繞開障礙物前進(jìn)。他也對(duì)雙折射現(xiàn)象進(jìn)行了研究，提出了許多用波動(dòng)理論無(wú)法解釋的問題。而粒子方面的基本困難，牛頓則以他的天才加以解決。他從波動(dòng)對(duì)手那里吸收了許多東西，比如將波的一些有用的概念如振動(dòng)、周期等引入微粒論，從而很好地解答了牛頓環(huán)的難題。同時(shí)，牛頓把微粒說(shuō)和他的力學(xué)體系結(jié)合在了一起，使得這個(gè)理論頓時(shí)呈現(xiàn)出無(wú)與倫比的力量。

這完全是一次摧枯拉朽般的打擊。那時(shí)的牛頓已經(jīng)不再是那個(gè)可以被人隨便質(zhì)疑的青年。那時(shí)的牛頓，已經(jīng)是出版了《數(shù)學(xué)原理》的牛頓，已經(jīng)是發(fā)明了微積分的牛頓。那個(gè)時(shí)候，他已經(jīng)是國(guó)會(huì)議員、造幣局局長(zhǎng)、皇家學(xué)會(huì)主席，已經(jīng)成為科學(xué)史上神話般的人物。在世界各地，人們對(duì)他的力學(xué)體系頂禮膜拜，仿佛得到了上帝的啟示。而波動(dòng)說(shuō)則群龍無(wú)首（惠更斯也早于1695年去世），這支失去了領(lǐng)袖的軍隊(duì)還沒有來(lái)得及在領(lǐng)土上建造幾座堅(jiān)固一點(diǎn)的堡壘，就遭到了毀滅性的打擊。他們驚恐萬(wàn)狀，潰不成軍，幾乎在一夜之間喪失了所有的陣地。這一方面是因?yàn)椴▌?dòng)自己的防御工事有不足之處，它的理論仍然不夠完善，另一方面也實(shí)在是因?yàn)閷?duì)手的實(shí)力過于強(qiáng)大——牛頓作為光學(xué)界的泰斗，他的才華和權(quán)威是不容置疑的。第一次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)就這樣以波動(dòng)的慘敗而告終，戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)果是微粒說(shuō)牢牢占據(jù)了物理界的主流。波動(dòng)被迫轉(zhuǎn)入地下，在長(zhǎng)達(dá)整整一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里都抬不起頭來(lái)。然而，它卻仍然沒有被消滅，惠更斯等人所做的開創(chuàng)性工作使得它仍然具有頑強(qiáng)的生命力，默默潛伏著以待東山再起。

飯后閑話：胡克與牛頓

胡克與牛頓在歷史上也算是一對(duì)歡喜冤家。兩個(gè)人都在力學(xué)、光學(xué)、儀器等方面有著偉大的貢獻(xiàn)。兩人互相啟發(fā)，但也無(wú)須諱言，他們之間存在著不少激烈爭(zhēng)論，以致互相仇視。除了關(guān)于光本性的爭(zhēng)論之外，他們之間還有一個(gè)爭(zhēng)執(zhí)，就是萬(wàn)有引力的平方反比定律（ISL）究竟是誰(shuí)發(fā)明的問題，這在科學(xué)史上也是一個(gè)著名的公案。

胡克在力學(xué)與行星運(yùn)動(dòng)方面花了多年心血，提出過許多深刻的洞見。1679—1680年，胡克與牛頓進(jìn)行了一系列的通信，討論了引力問題。牛頓雖然早年就已經(jīng)在此領(lǐng)域取得過一些進(jìn)展，但不知是荒廢多年還是怎么回事，這次卻是大失水準(zhǔn)，他竟然把引力看作不隨距離而變化的常量，并認(rèn)為物體下落是一個(gè)圓螺線。胡克糾正了他的錯(cuò)誤，并在1月6日的信中假設(shè)引力大小是與距離的平方成反比的，雖然說(shuō)得比較模糊。胡克把牛頓的錯(cuò)誤捅到了皇家學(xué)會(huì)那里，這使得牛頓大為光火，他認(rèn)定胡克是存心炫耀，并有意讓他出洋相。于是乎兩人間波粒的舊怨未愈，引力的新仇又起，成為終生的對(duì)手。

胡克與牛頓的這次通信是科學(xué)史上極為重要的話題。牛頓后來(lái)雖然打死也不肯承認(rèn)胡克對(duì)其有所幫助，但多數(shù)科學(xué)史家都認(rèn)為胡克在這里給牛頓提供了關(guān)鍵性的啟發(fā)：沒有胡克的糾正，牛頓會(huì)一直錯(cuò)誤地以為行星運(yùn)動(dòng)是在兩個(gè)平衡力——向心力和離心力——同時(shí)作用下進(jìn)行的。到了1684年，胡克和牛頓分別試圖證明平方反比的引力必然導(dǎo)致橢圓軌道（也就是ISL定律）。胡克吹噓說(shuō)他證明了，但從未拿出結(jié)果；牛頓也說(shuō)他早就證明過——同樣沒有任何證據(jù)。不過幾個(gè)月后，牛頓重寫了一份手稿，也就是著名的《論運(yùn)動(dòng)》（De Motu），這成為后來(lái)《原理》的前身。

《原理》發(fā)表后，胡克要求牛頓承認(rèn)他對(duì)于平方反比定律發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)，在前言里提及一下。牛頓再次狂怒。他暴跳如雷，從《原理》里面刪掉了絕大多數(shù)有關(guān)胡克的引用，剩下不多的，用詞也從“非常尊敬的胡克先生”變成了簡(jiǎn)單的“胡克”兩個(gè)字。他是如此怒氣沖天，甚至拒絕出版《原理》第三卷。在牛頓眼中，胡克完全是個(gè)江湖騙子，靠猜想和碰運(yùn)氣來(lái)沽名釣譽(yù)。許多科學(xué)史家也曾以為胡克猜想的成分居多，不過，加州大學(xué)桑塔克魯茲分校的Mchael Nauenberg教授從胡克的一幅最近披露的圖稿中得出結(jié)論：胡克在這個(gè)問題上的認(rèn)識(shí)要比人們傳統(tǒng)認(rèn)為的深刻得多，他所采用的幾何證明手法和牛頓后來(lái)在《原理》中所使用的類似，所差的只是胡克不懂微積分而已。ISL定律的發(fā)明權(quán)仍應(yīng)歸于牛頓，可是胡克顯然在其中占有重要，甚至關(guān)鍵的地位。

應(yīng)該說(shuō)胡克也是一位偉大的科學(xué)家。他曾幫助波義耳發(fā)現(xiàn)波義耳定律，用自己的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了植物的細(xì)胞，《顯微術(shù)》更是17世紀(jì)最偉大的著作之一。他是杰出的建筑設(shè)計(jì)師和規(guī)劃師，親自主持了1666年倫敦大火后的城市重建工作，如今倫敦城中的許多著名古跡，都是從他手中留下的。在地質(zhì)學(xué)方面，胡克的工作（尤其是對(duì)化石的觀測(cè)）影響了這個(gè)學(xué)科整整30年。他發(fā)明和制造的儀器（如顯微鏡、空氣唧筒、發(fā)條擺鐘、輪形氣壓表等）在當(dāng)時(shí)無(wú)與倫比。他所發(fā)現(xiàn)的彈性定律是力學(xué)最重要的定律之一。在那個(gè)時(shí)代，胡克在力學(xué)和光學(xué)方面是僅次于牛頓的偉大科學(xué)家，可是他似乎永遠(yuǎn)生活在牛頓的陰影里。而今天的中學(xué)生只有從課本里的胡克定律（彈性定律）才知道胡克的名字。胡克的晚年相當(dāng)悲慘，他雙目失明，幾乎被所有人拋棄（其侄女兼情人死了多年）,1688年之后，胡克就再?zèng)]從皇家學(xué)會(huì)領(lǐng)過工資。他變得憤世嫉俗，字里行間充滿了挖苦。胡克死后連一張畫像也沒有留下來(lái)，據(jù)說(shuō)是因?yàn)樗疤罅恕保灿袑W(xué)者言之鑿鑿地聲稱，正是牛頓利用職權(quán)有意毀棄了胡克的遺物，作為對(duì)他最后的報(bào)復(fù)。

從20世紀(jì)90年代中期開始，胡克逐漸迎來(lái)了翻身的日子，他的名字突然成為科學(xué)史界最熱的話題之一。2003年是胡克逝世300周年，科技史學(xué)者云集于胡克畢業(yè)的牛津和他生前任教的格雷夏姆（Gresham）紀(jì)念這位科學(xué)家。許多人都呼吁，胡克的科學(xué)貢獻(xiàn)應(yīng)當(dāng)為更多的世人所知。