08上帝掷骰子吗--量子物理史话-第3章
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棱镜被插进去的时候，原来的那束白光就不见了，而在屋里的墙上，映射出了一条长长的
彩色宽带：颜色从红一直到紫。牛顿凭借这个实验，得出了白色光是由七彩光混合而成的
结论。
然而在这篇论文中，牛顿把光的复合和分解比喻成不同颜色微粒的混合和分开。胡克和波
义耳正是当时评议会的成员，他们对此观点进行了激烈的抨击。胡克声称，牛顿论文中正
确的部分（也就是色彩的复合）是窃取了他1665年的思想，而牛顿“原创”的微粒说则不
值一提。牛顿大怒，马上撤回了论文，并赌气般地宣称不再发表任何研究成果。
其实在此之前，牛顿的观点还是在微粒和波动之间有所摇摆的，并没有完全否认波动说。
1665年，胡克发表他的观点时，牛顿还刚刚从剑桥三一学院毕业，也许还在苹果树前面思
考他的万有引力问题呢。但在这件事之后，牛顿开始一面倒地支持微粒说。这究竟是因为
报复心理，还是因为科学精神，今天已经无法得知了，想来两方面都有其因素吧。不过牛
顿的性格是以小气和斤斤计较而闻名的，这从以后他和莱布尼兹关于微积分发明的争论中
也可见一斑。
但是，一方面因为胡克的名气，另一方面也因为牛顿的注意力更多地转移到了运动学和力
学方面，牛顿暂时仍然没有正式地全面论证微粒说（只是在几篇论文中反驳了胡克）。而
这时候，波动方面军开始了他们的现代化进程——用理论来装备自己。荷兰物理学家惠更
斯（Christiaan Huygens）成为了波动说的主将。
惠更斯在数学理论方面是具有十分高的天才的，他继承了胡克的思想，认为光是一种在以
太里传播的纵波，并引入了“波前”的概念，成功地证明和推导了光的反射和折射定律。
他的波动理论虽然还十分粗略，但是所取得的成功却是杰出的。当时随着光学研究的不断
深入，新的战场不断被开辟：1665年，牛顿在实验中发现如果让光通过一块大曲率凸透镜
照射到光学平玻璃板上，会看见在透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环条纹，也
就是著名的“牛顿环”（对图象和摄影有兴趣的朋友一定知道）。到了1669年，丹麦的巴
塞林那斯（E。Bartholinus）发现当光在通过方解石晶体时，会出现双折射现象。惠更斯将
他的理论应用于这些新发现上面，发现他的波动军队可以容易地占领这些新辟的阵地，只
需要作小小的改制即可（比如引进椭圆波的概念）。1690年，惠更斯的著作《光论》
（Traite de la Lumiere）出版，标志着波动说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点。
不幸的是，波动方面暂时的得势看来注定要成为昙花一现的泡沫。因为在他们的对手那里
站着一个光芒四射的伟大人物：艾萨克？牛顿先生（而且马上就要成为爵士）。这位科学
巨人——不管他是出于什么理由——已经决定要给予波动说的军队以毫不留情的致命打击
。为了避免再次引起和胡克之间的争执，导致不必要的误解，牛顿在战术上也进行了精心
的安排。直到胡克去世后的第二年，也就是1704年，牛顿才出版了他的煌煌巨著《光学》
（Opticks）。在这本划时代的作品中，牛顿详尽地阐述了光的色彩叠合与分散，从粒子
的角度解释了薄膜透光，牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象。他驳斥了波动理论，质
疑如果光如同声波一样，为什么无法绕开障碍物前进。他也对双折射现象进行了研究，提
出了许多用波动理论无法解释的问题。而粒子方面的基本困难，牛顿则以他的天才加以解
决。他从波动对手那里吸收了许多东西，比如将波的一些有用的概念如振动，周期等引入
微粒论，从而很好地解答了牛顿环的难题。在另一方面，牛顿把粒子说和他的力学体系结
合在了一起，于是使得这个理论顿时呈现出无与伦比的力量。
这完全是一次摧枯拉朽般的打击。那时的牛顿，已经再不是那个可以在评议会上被人质疑
的青年。那时的牛顿，已经是出版了《数学原理》的牛顿，已经是发明了微积分的牛顿。
那个时候，他已经是国会议员，皇家学会会长，已经成为科学史上神话般的人物。在世界
各地，人们对他的力学体系顶礼膜拜，仿佛见到了上帝的启示。而波动说则群龙无首（惠
更斯也早于1695年去世），这支失去了领袖的军队还没有来得及在领土上建造几座坚固一
点的堡垒，就遭到了毁灭性的打击。他们惊恐万状，溃不成军，几乎在一夜之间丧失了所
有的阵地。这一方面是因为波动自己的防御工事有不足之处，它的理论仍然不够完善，另
一方面也实在是因为对手的实力过于强大：牛顿作为光学界的泰斗，他的才华和权威是不
容质疑的。第一次微波战争就这样以波动的惨败而告终，战争的结果是微粒说牢牢占据了
物理界的主流。波动被迫转入地下，在长达整整一个世纪的时间里都抬不起头来。然而，
它却仍然没有被消灭，惠更斯等人所做的开创性工作使得它仍然具有顽强的生命力，默默
潜伏着以待东山再起的那天。
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饭后闲话：胡克与牛顿
胡克和牛顿在历史上也算是一对欢喜冤家。两个人都在力学，光学，仪器等方面有着伟大
的贡献。两人互相启发，但是之间也存在着不少的争论。除了关于光本性的争论之外，他
们之间还有一个争执，那就是万有引力的平方反比定律究竟是谁发现的问题。胡克在力学
与行星运动方面花过许多心血，他深入研究了开普勒定律，于1964年提出了行星轨道因引
力而弯曲成椭圆的观点。1674年他根据修正的惯性原理，提出了行星运动的理论。1679年
，他在写给牛顿的信中，提出了引力大小与距离的平方成反比这个概念，但是说得比较模
糊，并未加之量化（原文是：…my supposition is that the Attraction always is in
a duplicate proportion to the distance from the center reciprocal）。在牛顿的
《原理》出版之后，胡克要求承认他对这个定律的优先发现，但牛顿最后的回答却是把所
有涉及胡克的引用都从《原理》里面给删掉了。
应该说胡克也是一位伟大的科学家，他曾帮助波义耳发现波义耳定律，用自己的显微镜发
现了植物的细胞，他在地质学方面的工作（尤其是对化石的观测）影响了这个学科整整30
年，他发明和制造的仪器（如显微镜、空气唧筒、发条摆轮、轮形气压表等）在当时无与
伦比。他所发现的弹性定律是力学最重要的定律之一。在那个时代，他在力学和光学方面
是仅次于牛顿的伟大科学家，可是似乎他却永远生活在牛顿的阴影里。今天的牛顿名满天
下，但今天的中学生只有从课本里的胡克定律（弹性定律）才知道胡克的名字，胡克死前
已经变得愤世嫉俗，字里行间充满了挖苦。他死后连一张画像也没有留下来，据说是因为
他“太丑了”。
四
上次说到，在微粒与波动的第一次交锋中，以牛顿为首的微粒说战胜了波动，取得了在物
理上被普遍公认的地位。
转眼间，近一个世纪过去了。牛顿体系的地位已经是如此地崇高，令人不禁有一种目眩的
感觉。而他所提倡的光是一种粒子的观念也已经是如此地深入人心，以致人们几乎都忘了
当年它那对手的存在。
然而1773年的6月13日，英国米尔沃顿（Milverton）的一个教徒的家庭里诞生了一个男孩
，叫做托马斯？杨（Thomas Young）。这个未来反叛派领袖的成长史是一个典型的天才历
程，他两岁的时候就能够阅读各种经典，6岁时开始学习拉丁文，14岁就用拉丁文写过一
篇自传，到了16岁时他已经能够说10种语言，并学习了牛顿的《数学原理》以及拉瓦锡的
《化学纲要》等科学著作。
杨19岁的时候，受到他那当医生的叔父的影响，决定去伦敦学习医学。在以后的日子里，
他先后去了爱丁堡和哥廷根大学攻读，最后还是回到剑桥的伊曼纽尔学院终结他的学业。
在他还是学生的时候，杨研究了人体上眼睛的构造，开始接触到了光学上的一些基本问题
，并最终形成了他的光是波动的想法。杨的这个认识，是来源于波动中所谓的“干涉”现
象。
我们都知道，普通的物质是具有累加性的，一滴水加上一滴水一定是两滴水，而不会一起
消失。但是波动就不同了，一列普通的波，它有着波的高峰和波的谷底，如果两列波相遇
，当它们正好都处在高峰时，那么叠加起来的这个波就会达到两倍的峰值，如果都处在低
谷时，叠加的结果就会是两倍深的谷底。但是，等等，如果正好一列波在它的高峰，另外
一列波在它的谷底呢？
答案是它们会互相抵消。如果两列波在这样的情况下相遇（物理上叫做“反相”），那么
在它们重叠的地方，将会波平如镜，既没有高峰，也没有谷底。这就像一个人把你往左边
拉，另一个人用相同的力气把你往右边拉，结果是你会站在原地不动。
托马斯？杨在研究牛顿环的明暗条纹的时候，被这个关于波动的想法给深深打动了。为什
么会形成一明一暗的条纹呢？一个思想渐渐地在杨的脑海里成型：用波来解释不是很简单
吗？明亮的地方，那是因为两道光正好是“同相”的，它们的波峰和波谷正好相互增强，
结果造成了两倍光亮的效果（就好像有两个人同时在左边或者右边拉你）；而黑暗的那些
条纹，则一定是两道光处于“反相”，它们的波峰波谷相对，正好互相抵消了（就好像两
个人同时在两边拉你）。这一大胆而富于想象的见解使杨激动不已，他马上着手进行了一
系列的实验，并于1801年和1803年分别发表论文报告，阐述了如何用光波的干涉效应来解
释牛顿环和衍射现象。甚至通过他的实验数据，计算出了光的波长应该在1/36000至
1/60000英寸之间。
在1807年，杨总结出版了他的《自然哲学讲义》，里面综合整理了他在光学方面的工作，
并在里面第一次描述了他那个名扬四海的实验：光的双缝干涉。后来的历史证明，这个实
验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个实验之列，而在今天，它已经出现在每一本
中学物理的教科书上。
杨的实验手段极其简单：把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形成了一个
点光源（从一个点发出的光源）。现在在纸后面再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两
道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替
的条纹，这就是现在众人皆知的干涉条纹。
杨的著作点燃了革命的导火索，物理史上的“第二次微波战争”开始了。波动方面军在经
过了百年的沉寂之后，终于又回到了历史舞台上来。但是它当时的日子并不是好过的，�
